Perencanaan Filter Harmonisa Pada Sisi Tegangan Rendah Untuk Mengurangi Harmonisa Akibat Penambahan Beban Pada Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik Arko Setiyo Prabowo 2208100067 Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Abstrak— Sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik memiliki karakteristik beban yang menggunakan VFD dan sistem DC. Untuk memenuhi kebutuhan produksi pabrik, PT. Wilmar Indonesia berencana menambah beban hingga 5 megawatt (MW) dalam 5 tahun kedepan. Dengan peningkatan beban tersebut akan muncul permasalahan kualitas daya dalam sistem kelistrikannya. Terdapat permasalahan kualitas daya pada sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik yaitu tingkat harmonisa tegangan dan arus yang melebihi standar IEEE 519-1992. Tugas akhir ini membahas analisis harmonisa pada sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik akibat penambahan beban Compressor, FAL 01 PLANT, Biorefinery, Future PK CRUSH, Future Soya Bean, Future Flour Mill, Electrolyzer 1, Electrolyzer 2, Electrolyzer 3, FA-02/03, MES, NPK 02 PLANT, CPC 02 PLANT, WS-02, PK-CRUSH 03, SP-CWP-01 dan SP-CWP-03. Setelah dilakukan analisis harmonisa, direncanakan filter harmonisa untuk meredam tingkat distorsi harmonisa. Filter yang digunakan berjenis filter pasif yaitu Single Tuned Filter. Penyelesaian permasalahan dalam tugas akhir ini menggunakan filter harmonisa pada tegangan rendah dengan level tegangan 0,4 KV. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pemasangan filter harmonisa ini efektif meredam harmonisa tegangan. Metode pemasangan filter ini masih menyisakan harmonisa tegangan yang cukup tinggi pada bus ME FRACT, SNB PLANT, OLEO TF, H2 GAS PLANT, dan FUTURE FLOUR MILL yaitu mendekati 5%. Oleh Karena itu ditambahkan filter tegangan menengah dari referensi tugas akhir sebelumnya yang dipasang pada bus SP-BUS-41000 dan SP-BUS-42000 dengan level tegangan 10,5 kV. Setelah pemasangan filter, harmonisa tegangan pada bus ME FRACT, SNB PLANT, OLEO TF, H2 GAS PLANT, dan FUTURE FLOUR MILL di bawah 4,5 %.
Kata Kunci— Penambahan Beban, Harmonisa, Filter
Penggunaan filter harmonisa bertujuan untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih frekuensi tertentu dari sebuah arus maupun tegangan [3]. Salah satu jenis filter harmonisa adalah filter pasif. Perencanaan filter pasif merupakan penalaan filter pada orde harmonisa tertentu untuk menekan distorsi harmonisa yang terjadi hingga berada pada nilai standar yang telah ditentukan. Sistim kelistrikan PT. Wilmar yang terletak di kota Gresik mempunyai beberapa alternatif suplai energy untuk kebutuhan beban operasionalnya yaitu PLN, dua unit Steam Turbine Generator (STG), dan dua unit Diesel Generator(DG). Kapasitas terpasang masing-masing STG adalah 15 MW sedangkan kapasitas terpasang DG adalah 3,2 MW. Sementara itu, beban listrik di PT. Wilmar pada kondisi peak mencapai 14 MW. PT. Wilmar berupaya memperbanyak produksi minyak dengan menambah penggunaan motor. Dengan penambahan penggunaan motor maka gangguan harmonisa akan bertambah akibat penggunaan Variable Frequency Drive (VFD). Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari kualitas daya dari sistem kelistrikan di PT. Wilmar Gresik, khususnya tentang harmonisa yang terjadi akibat penambahan beban, memodelkan dan mensimulasikan sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik menggunakan software ETAP 7.0, menganalisa hasil simulasi, dan meredam harmonisa yang terjadi dengan merancang filter pasif. Penyelesaian permasalahan dibatasi yaitu pemasangan filter harmonisa Single Tuned Filter (STF) pada tegangan menengah 0,4 kV, sistem kelistrikan dalam keadaan steady state, semua beban beroperasi, dan menggunakan standar IEEE 519-1992 untuk analisis harmonisa.
I. PENDAHULUAN
II. DASAR TEORI
istem kelistrikan industri pada umumnya menggunakan kapasitor daya untuk meningkatkan kualitas daya dan kompensasi daya reaktif. Apabila pada sistem kelistrikan tersebut terdapat sumber arus harmonisa seperti Variable Frequency Drives (VFD) maka kapasitor dapat digunakan sebagai komponen filter harmonisa untuk mengurangi gangguan harmonisa [1]. Gangguan harmonisa merupakan permasalahan serius dalam sistem tenaga listrik. Akibat dari distorsi harmonisa adalah meningkatnya panas dan rugi-rugi energi pada setiap bagian peralatan dalam sistem distribusi tenaga listrik seperti tarnsformator, kabel serta komponen lainnya. Variable Frequency Drives (VFD) adalah contoh dari beban non linear yang menimbulkan harmonisa arus. VFD tersusun atas komponen elektronika daya yaitu rectifier dan inverter yang dipergunakan pada motor untuk efisiensi pemakaian energi listrik [2].
A. Harmonisa Pada Sistem Tenaga Listrik Harmonisa sistem tenaga didefinisikan sebagai komponen sinusoidal tegangan dan arus yang mempunyai frekuensi kelipatan bilangan bulat (integer) dari frekuensi dasar. Gelombang non sinusoidal dapat terbentuk dengan menjumlahkan gelombang – gelombang sinusoidal, seperti terlihat pada Gambar 1. Dalam sistem tenaga listrik yang menggunakan frekuensi 50 Hz, maka dapat dikatakan bahwa harmonisa pertama atau frekuensi fundamental dari sistem tenaga tersebut adalah 50 Hz. Harmonisa kedua merupakan kelipatan kedua dari harmonisa pertama yaitu sebesar 100 Hz , sedangkan harmonisa ketiga merupakan kelipatan ketiga dari harmonisa pertama yaitu sebesar 150 Hz dan harmonisa kelima serta ketujuh berturut-turut sebesar 250 Hz dan 350 Hz . Dapat ditarik kesimpulan bahwa harmonisa ke-n merupakan kelipatan n dari frekuensi fundamental [2].
1|Pro
Elek tro
S
ceed ing
Tu gas
Akh ir
Jurusan
Te knik
FTI -ITS
Dalam harmonisa khususnya pada sistem tenaga listrik, dipakai istilah Total Harmonic Distortion (THD) yang didefinisikan sebagai persentase total komponen harmonisa terhadap komponen fundamentalnya. Total Harmonic Distortion (THD) dituliskan sebagai:
𝑇𝐻𝐷 = Gambar 1. Gelombang terdistorsi akibat komponen harmonisa
a) b) c) d)
Gelombang sinus frekuensi fundamental Gelombang harmonisa ke-3 Gelombang harmonisa ke-5 Gelombang harmonisa ke-7
Harmonisa dapat ditimbulkan akibat penggunaan beban non linier antara lain rectifier, converter, tanur busur listrik (arc furnace), transformator, dan mesin-mesin berputar [3]: Transformator. Harmonisa pada transformator dibangkitkan oleh karakteristik magnetisasi besi yang non linier.
(a)
(b)
Gambar 2. Kurva magnetisasi (a), Bentuk gelombang fluks dan arus (b)
Rectifier menggunakan Sillicon-Controlled Rectifier (SCR) berupa rangkaian jembatan thyristor enam pulsa. Harmonisa yang dibangkitkan oleh sebuah rectifier enam pulsa dominan pada orde ke 5. Converter. Beban-beban yang mengandung konverter (static converter), seperti lampu fluorescent, komputer, VFD, dan Uninterruptable Power Supply (UPS).
1 𝑘 2 2 𝑛 =2 𝑈𝑛
𝑈1
𝑥100%
(1)
Dimana Un adalah komponen harmonisa, U1 adalah komponen fundamental, k adalah komponen harmonisa maksimum yang diamati. Selain THD dikenal pula Total Demand Distortion (TDD) yaitu perbandingan nilai rms antara komponen arus harmonisa dengan arus beban demand maksimum. Standar IEEE 519-1992 digunakan untuk menentukan tingkat distorsi harmonisa tegangan dan arus. TABEL 1 LIMIT DISTORSI HARMONISA UNTUK SISTEM DISTRIBUSI 120 V SAMPAI 69 KV BERDASARKAN IEEE STD 519-1992 Distorsi Harmonisa Arus Maksimum dalam Persen terhadap I L Orde Harmonisa Individual (Harmonisa Orde Ganjil) ISC/I L <11 11h17 17h23 23h35 35h TDD < 20* 4 2 1,5 0,6 0,3 5 20 – 50 7 3,5 2,5 1 0,5 8 50 – 100 10 4,5 4 1,5 0,7 12 100 – 1000 12 5,5 5 2 1 15 > 1000 15 7 6 2,5 1,4 20 Harmonisa orde genap dibatasi 25% dari Harmonisa orde ganjil di atas. Tidak diperbolehkan distorsi arus yang dihasilkan sistem DC, contohnya konverter setengah gelombang. Semua peralatan pembangkit listrik terbatas pada nilai-nilai distorsi arus terlepas dari I SC/I L aktual, dimana: ISC = Arus hubung singkat maksimum pada PCC IL = Arus beban maksimum (komponen frekuensi fundamental) pada PCC TABEL 2 LIMIT DISTORSI TEGANGAN BERDASARKAN IEEE STD 519-1992 Distorsi Tegangan Tegangan Bus Pada PCC THD (%) Individual (%) 69 kV dan ke bawah 3 5 69,001 kV sampai 161 kV 1,5 2,5 161,001 kV dan ke atas 1 1,5
Pengaruh harmonisa pada sistem tenaga listrik antara lain resonansi, baik itu seri maupun paralel yang disebabkan oleh adanya komponen kapasitor bank. Resonansi paralel menghasilkan impedansi tinggi pada frekuensi resonansi sehingga menaikkan tegangan harmonisa dan arus harmonisa yang tinggi di setiap lengan impedansi pararel.
Gambar 3. Macam Lampu Flourescent
Mesin-Mesin Berputar Generator sinkron dan motor induksi secara umum menghasilkan sejumlah harmonisa. Pada generator sinkron harmonisa disebabkan karena kejenuhan dan distribusi fluks yang tidak sinusoidal. Bila generator sinkron diberi beban, terbangkit Electromotive Force (EMF) yang tidak sinusoidal yang menghasilkan arus harmonisa
2|Pro
ceed ing
Tu gas
Akh ir
Jurusan
Te knik
Gambar 4. Resonansi paralel pada PCC
Resonansi seri menyebabkan impedansi sangat kecil sehingga arus harmonisa yang tinggi mengalir ke kapasitor pada harmonisa tegangan yang kecil. Pada mesin berputar, harmonisa berpengaruh terhadap rugi-rugi pada belitan stator, rangkaian rotor, dan laminasi stator-rotor. Pengaruh harmonisa pada peralatan pusat pembangkit berupa rugi-rugi daya sedangkan pengaruh harmonisa pada transformator adalah adanya arus Eddy dan tekanan isolasi. Aliran arus Elek tro
FTI -ITS
harmonisa meningkatkan rugi-rugi tembaga dan efek ini lebih nyata pada transformator konverter, karena transformator tersebut tidak terpengaruh oleh adanya filter yang biasanya dihubungkan pada sisi sistem AC [4]. Sirkulasi arus harmonisa triplen urutan nol yang melampaui batas pada belitan transformator dapat menimbulkan hot spot pada tangki.
Untuk mensuplai kebutuhan beban operasional pabrik dalam kondisi normal, suplai daya listrik didapat dari BKR PLN dengan kapasitas hubung singkat sebesar 8.963 MVASc yang beroperasi pada mode Voltage Control yaitu suplai daya aktif dijaga tetap 5,5 MW dan satu buah Steam Turbin Generator yaitu STG 1 berkapasitas 15 MW yang beroperasi pada mode Swing. Sumber PLN diambil dari Gardu Induk Segara Madu 150 kV melalui SP-BUS-31000 20 kV. Level tegangan distribusi yang digunakan PT. Wilmar Gresik antara lain 20 kV, 10,5 kV, 3,3 kV, dan 0,4 kV. DEG 1, DEG 2 dan STG 2 merupakan pembangkit yang digunakan sebagai cadangan pada saat starting motor-motor besar dan overhaul. B. Harmonisa Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik
Gambar 5. Resonansi seri pada PCC
B. Filter Pasif Untuk Peredaman Harmonisa Filter pasif berfungsi untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus dengan cara menyediakan jalur yang rendah impedansinya pada frekuensi harmonisa sehingga dapat menekan penyebaran arus harmonisa ke seluruh jaringan. Filter pasif tersusun dari komponen-komponen resistor (R), induktor (L), dan kapasitor (C). Secara umum filter harmonisa dapat dibedakan dalam tiga jenis antara lain: a. Single Tuned Shunt Filter (STF) menyediakan jalur dengan impedansi rendah untuk satu frekuensi harmonisa. Nilai Quality Factor (Q) yang tinggi ditala secara tajam pada satu frekuensi harmonisa yang rendah. b. Double Tuned Filter memiliki karakteristik impedansi yang ekivalen dengan dua buah STF dipasang secara paralel dimana frekuensi yang ditala saling berdekatan. c. High Pass Damp Filter (HPF) digunakan untuk membuat impedansi yang rendah untuk spektrum frekuensi harmonisa yang lebar. Nilai Q pada HPF umumnya bernilai rendah. Terdapat empat jenis damped filter yaitu damped filter orde satu, orde dua, orde tiga dan jenis damped filter tipe C.
Sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik memiliki karakteristik total harmonisa arus dan tegangan yang melebihi standar harmonisa IEEE 519-1992. Dalam tugas akhir ini akan dibahas analisis harmonisa sebelum dan sesudah penambahan beban. Beban-beban yang memberikan kontribusi harmonisa arus antara lain VFD enam pulsa untuk beban Fractionation, Refinery, Soap Beading, BD 01, BD 02, ME Fract, FA/GLY&HYDRO, Hydrochem, Oleo TF, dan Boiler House, serta enam buah charger enam pulsa dan tiga unit transformator dua belitan digunakan beban Electrolyzer. Sedangkan beban baru yang akan dihubungkan ke sistem kelistrikan PT.Wilmar Gresik adalah Compressor, FAL 01 PLANT, Biorefinery, Future PK CRUSH, Future Soya Bean, Future Flour Mill, Electrolyzer 1, Electrolyzer 2, Electrolyzer 3, FA-02/03, MES, NPK 02 PLANT , CPC 02 PLANT, WS-02, PK-CRUSH 03, SP-CWP-01 dan SP-CWP03. C. Langkah-Langkah Peredaman Harmonisa Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik Alur metodologi peredaman harmonisa dalam tugas akhir ini digambarkan dalam flow chart pada Gambar 6.
III. HARMONISA PADA SISTEM KELISTRIKAN PT. WILMAR GRESIK A. Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik PT. Wilmar Nabati Indonesia (Wilmar Group), selanjutnya disebut “PT. Wilmar” berlokasi di kota Gresik. Untuk sistem kelistrikannya, PT. Wilmar memiliki total suplai energi listrik sebesar 35.5 MW dan emergency supply sebesar 4 MW. Total beban maksimum yang terpasang besarnya sekitar 33 MW. Sistem distribusi yang digunakan adalah sistem ring. Namun dalam pengoperasiannya digunakan sistem distribusi radial dengan cara membuka beberapa breaker ring. TABEL 3 DATA PENYUPLAI DAYA LISTRIK DI PT. WILMAR GRESIK Daya Source ID Type Mode Operasi (MW) BKR PLN Grid Voltage Control 5,5 STG 1 Steam Turbine Generator Swing 15 STG 2 Steam Turbine Generator Stand by 15 DEG 1 Diesel Generator Stand by 1,6 DEG 2 Diesel Generator Stand by 1,6
3|Pro
ceed ing
Tu gas
Akh ir
Jurusan
Te knik
Gambar 6. Flow chart metodologi peredaman harmonisa di PT. Wilmar Gresik
Elek tro
FTI -ITS
IV. SIMULASI DAN ANALISIS
Bus Beban
kV
kVA
PF (%)
A. Kondisi Existing Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik
BD 02
0,4
214
134
252
84,8
Pada keadaan ini didapat data bahwa sistem memerlukan pasokan daya sebesar 11,339 MW yang diperoleh dari STG 1 11,379 MW. Faktor daya sistem tercatat sebesar 98% pada sisi generator.. Pada kondisi ini masih dalam kondisi operasi minimum dari sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik.
ME FRACT
0,4
47
37
59
78,6
FA-01 PLANT
0,4
1464
580
1575
93
OLEO-TF
0,4
160
85
307
88,3
H2 GAS PLANT
0,4
269
111
291
92,4
PK-CRUSHING 01
0,4
1360
363
1408
96,6
PK-CRUSHING 02
0,4
681
132
694
98,2
NPK-01 PLANT
0,4
257
38
260
98,9
JETTY
0,4
40
26
47
83,5
CEN-BOILER UTILITY
0,4
420
214
471
89,1
RO/ETP
0,4
258
162
304
84,8
PF 79,8% Utility 03 PF 90% Utility 01
kW
kVAR
B. Harmonisa Tegangan Sistem Kondisi Existing Sebelum melakukan simulasi dan analisis harmonisa sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik maka diperlukan datadata penunjang berupa data pengukuran harmonisa pada bus beban sistem. Gambar 7. Aliran daya sistem PT. Wilmar Gresik kondisi existing
Sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik kondisi existing menggunakan kapasitor bank untuk kompensasi daya reaktif yang dipasang dengan metode kompensasi individual sisi tegangan rendah 0,4 kV. TABEL 4 FAKTOR DAYA BEBAN DAN BUS BEBAN DENGAN KOMPENSASI DAYA REAKTIF
% kV
THDV (%)
Standar IEEE (%)
SP-BUS-41006
10,5
99,90
7,32
5
SP-BUS-51001
10,5
99,86
7,34
5
SP-BUS-51002
10,5
99,78
7,38
5
SP-BUS-51003
10,5
99,79
7,37
5
SP-BUS-51004
10,5
99,85
7,35
5
SP-BUS-41006
10,5
29
35
45
63,6
SP-BUS-51001
10,5
647
273
702
92,2
SP-BUS-51002
10,5
2213
1548
2701
82
SP-BUS-51005
10,5
99,87
7,34
5
SP-BUS-51003
10,5
353
221
416
84,8
SP-BUS-52001
10,5
99,85
7,41
5
SP-BUS-51004
10,5
667
359
757
88
SP-BUS-52002
10,5
99,85
7,42
5
SP-BUS-51005
10,5
756
387
417
89
SP-BUS-53001
10,5
99,99
7,32
5
SP-BUS-52001
10,5
888
466
1003
88,5
SP-BUS-53002
10,5
99,94
7,32
5
SP-BUS-52002
10,5
47
37
60
78,6
SP-BUS-54001
10,5
99,94
7,30
5
SP-BUS-53001
10,5
1464
580
1575
93
SP-BUS-54002
10,5
99,94
7,30
5
SP-BUS-53002
10,5
430
138
452
95,2
SP-BUS-54003
10,5
99,93
7,35
5
SP-BUS-54001
10,5
267
170
317
84,3
SP-BUS-56001
10,5
99,88
7,29
5
SP-BUS-54002
10,5
259
166
307
84,2 SP-BUS-56002
10,5
99,89
7,24
5
SP-BUS-54003
10,5
420
214
472
89,1 CPKO PLANT
0,4
99,90
7,09
5
SP-BUS-56001
10,5
2043
470
542
97,5
SP-BUS-56002
10,5
922
726
1174
78,6
AIR COMPUTILITY
0,4
99,86
6,89
5
CPKO PLANT
0,4
29
35
45
63,6
FRACT-PLANT
0,4
99,78
12,53
5
AIR COMP-UTILITY
0,4
647
273
702
92,2
REFINERYPLANT
0,4
99,79
10,94
5
FRACT-PLANT
0,4
2213
1548
2701
82
TF-NKB
0,4
99,82
7,21
5
REFINERY-PLANT
0,4
353
221
416
84,8
TF-KB
0,4
99,82
6,94
5
TF-NKB
0,4
8
21
22
99,82
SNB-PLANT
0,4
98,69
10,05
5
SNB-PLANT
0,4
667
359
757
88
WTRRESERVOIR
0,4
99,53
7,07
5
WTR-RESERVOIR
0,4
89
46
100
88,9
BD 01
0,4
99,48
9,67
5
BD 01
0,4
626
313
700
89,5
BD 02
0,4
99,28
10,73
5
ME FRACT
0,4
99,70
10,04
5
Elek tro
FTI -ITS
Tu gas
Akh ir
kVA
kV
kV
ceed ing
kVAR
Bus Beban
Bus Beban
4|Pro
kW
TABEL 5 DISTORSI HARMONISA TEGANGAN BUS BEBAN SAAT KONDISI EXISTING
Jurusan
PF (%)
Te knik
Kondisi Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit
Bus Beban
kV
% kV
THDV (%)
Standar IEEE (%)
FA-01 PLANT
0,4
99,18
10,21
5
OLEO-TF
0,4
99,94
12,37
5
H2 GAS PLANT
0,4
99,39
7,25
5
0,4
99,88
10,38
5
0,4
99,89
10,27
5
NPK-01 PLANT
0,4
99,72
9,55
5
JETTY
0,4
99,78
7,08
5
CEN-BOILER UTILITY
0,4
99,23
13,29
5
RO/ETP
0,4
99,06
7,1
5
PK-CRUSHING 01 PK-CRUSHING 02
Kondisi Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit Exceeds Limit
Dari hasil simulasi diketahui bahwa seluruh bus di sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik nilai harmonisa tegangannya masih melebihi standar IEEE Std. 519-1992 dimana ratarata total distorsi harmonisa tegangannya di atas 8,47 %. Untuk mengetahui orde dominan distorsi harmonisa tegangan sistem, maka dilihat melalui spektrum harmonisa tegangan pada bus SP-BUS-41000 dan CEN-BOILER UTILITY sebagai contoh. Dapat dilihat bahwa orde harmonisa dominan adalah orde 5 dan 7.
D. Harmonisa Arus Sistem Kondisi Existing Terdapat tujuh beban yang memiliki distorsi harmonisa arus kondisi existing melebihi standar IEEE 519-1992. TABEL 6 DISTORSI HARMONISA ARUS SISTEM SAAT KONDISI EXISTING Bus Beban SP-BUS51002 SP-BUS53001 SP-BUS53002
SP-BUS54003 SP-BUS56001
Beban
TDDI (%)
Standar IEEE (%)
Orde Dominan
REFINERY
13,31
8
5, 11, dan 13
FA-01
9,19
8
5, 7, dan 11
H2-GAS PLANT
23,56
12
5, 7, dan 11
OLEO TF
16,48
12
5, 7, dan 11
16,75
12
5, 7, dan 11
18,75
8
5, 7, dan 11
17,10
8
5, 7, dan 11
BOILER UTILITY PK-CRUSH 01 PK-CRUSH 02
Tingginya distorsi harmonisa arus pada beban H2-GAS PLANT disebabkan oleh operasi underload dibandingkan beban Oleo TF pada bus SP-BUS-53002 sehingga arus harmonisa yang tinggi mengalir menuju impedansi Hydrochem yang kecil. Selain itu, Beban PK-CRUSH juga mengalami distorsi harmonisa arus yang tinggi. E. Aliran Daya Pada Penambahan Beban Baru Simulasi aliran daya di sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik dilakukan untuk mengetahui aliran daya pada saat kondisi operasi maksimum. TABEL 7 ALIRAN DAYA PADA PENAMBAHAN BEBAN BARU
(a) (b) Gambar 8. Spektrum harmonisa tegangan SP-BUS-41000 (a) dan spectrum harmonisa tegangan bus CEN-BOILER UTILITY (b)
C. Resonansi Sistem Kondisi Existing Kapasitor bank yang terpasang di sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik turut memberikan kontribusi harmonisa sehingga fungsi untuk memperbaiki faktor daya sistem menjadi kurang efektif. Kapasitor bank menyebabkan timbulnya resonansi paralel. Hal ini berdampak pada penguatan distorsi harmonisa khususnya harmonisa tegangan akibat impedansi lokal yang tinggi.
(a) (b) Gambar 9. Karakteristik impedansi bus SP-BUS-41000 (a) dan bus SPBUS-42000 (b)
Desain perhitungan filter harmonisa nantinya harus menghindari frekuensi-frekuensi potensi resonansi paralel.
5|Pro
ceed ing
Tu gas
Akh ir
Jurusan
Te knik
Bus Beban
kV
kW
kVA
PF (%)
WS-02
10,5
332
184
380
87,5
COMPRESSOR
0,4
94
62
113
83,4
FAL-01 PLANT
0,4
1065
764
1311
81,2
BIOREFINERY
0,4
1183
692
1371
86,3
0,4
1986
1097
2269
87,5
0,4
1517
1020
1828
83
0,4
1728
1057
2026
85,3
ELECTROLYZER 1
0,4
1822
1330
2256
80,8
ELECTROLYZER 2
0,4
1822
1330
2256
80,8
ELECTROLYZER 3
0,4
1822
1330
2256
80,8
FA 02/03
0,4
1534
600
1647
93,1
MES
0,4
508
327
604
84.1
NPK 02 PLANT
0,4
256
457
524
48,8
CPC 02 PLANT
0,4
86
41
95,273
90,2
PK-CRUSH 03
0,4
678
690
967
70,1
FUTURE PKCRUSH FUTURE SOYA BEAN FUTURE FLOUR MILL
kVAR
F. Perbandingan Harmonisa Sebelum Dan Sesudah Penambahan Beban Baru Terdapat perbedaan tingkat distorsi harmonisa antara kondisi existing dan kondisi setelah penambahan beban .
Elek tro
FTI -ITS
TABEL 8 PERBANDINGAN DISTORSI HARMONISA ARUS KONDISI EXISTING DAN SESUDAH PENAMBAHAN BEBAN
Bus
TDDI (%) Beban
Kondisi Setelah Penambahan Beban
Kondisi Existing
CENBOILER UTILITY
Status
REFINERY
13,31
14,04
Increase
ME FRACT
TF-KB
6,47
8,23
Increase
OLEO TF
FA-01
9,19
8,55
Decrease
H2 GAS PLANT
23,56
22,69
Decrease
OLEO TF
16,48
15,82
Decrease
CEN.BOILER UTILITY
16,75
16,21
Decrease
SNB PLANT FA-01 PLANT FA-02/03 PLANT FAL-01 PLANT BIOREFIN ERY FUTURE PKCRUSH
PK-CRUSH 01
18,75
22,45
Increase
PK-CRUSH 02
17,10
22,47
Increase
Q factor
Komponen Filter (3 fasa)
Jenis Filter
kVAR (3 fasa)
ST 5th
38,49
40
765,7
542,2
0,004
ST 7th
85,151
40
1694
124
0,004
ST 5th
28
30
557,9
744,2
0,0076
ST 5th
53
45
1054
393,9
0,0026
ST 5th
133
40
2646
156,19
0,001
ST 5th
868
40
17268
24
0,0005
ST 5th
480
40
9558
C (μF)
L (μH)
R (Ω)
43,4
0,0005 −5
ST 5th
420
40
8360
4,966 10
ST 5th
314
40
6247
66,642
0,0005
ST 5th
474
40
9430
440
0,0003
0,0003
TABEL 9 PERBANDINGAN DISTORSI HARMONISA TEGANGAN KONDISI EXISTING DAN SESUDAH PENAMBAHAN BEBAN THD V (%)
H. Aliran Daya Setelah Pemasangan Filter Harmonisa
TF-KB
6,94
8,87
Increase
Dari hasil simulasi aliran daya diperoleh kenaikan faktor daya pembangkit STG 2 dari 84,7 % menjadi 98,6 %. Faktor daya bus SP-BUS-41000 ditingkatkan dari 86,7% menjadi 98,5% dan SP-BUS-42000 ditingkatkan dari 90,6% menjadi 98,8%.
FA-01
10,21
11,98
Increase
I.
H2 GAS PLANT
7,25
9,92
Increase
OLEO TF
12,37
14,70
Increase
CEN.BOILER UTILITY
13,29
15,36
Increase
PK-CRUSH 01
10,38
13,27
Increase
PK-CRUSH 02
10,27
13,16
Increase
Beban
Kondisi Existing
REFINERY
Kondisi Setelah Penambahan Beban
Status
13,09
Increase
10,94
Perbandingan Harmonisa Tegangan Sebelum dan Setelah Pemasangan Filter Harmonisa
Hasil simulasi menunjukkan bahwa harmonisa tegangan keseluruhan sistem dapat diredam secara signifikan. TABEL 11 PERBANDINGAN HARMONISA TEGANGAN BUS BEBAN SEBELUM DAN SETELAH PEMASANGAN FILTER HARMONISA THD V (%) Bus Beban
G. Perhitungan Filter Harmonisa Filter harmonisa yang direncanakan dipasang untuk meredam distorsi harmonisa PT. Wilmar Gresik adalah filter pasif dan menggunakan metode peredaman individual. Filter direncanakan dipasang pada dua bus bertegangan 0,4 kV. Filter pasif akan dipasang pada bus Refinery-Plant, BD 01, BD 02, Fractionary , CEN-BOILER UTILITY , ME FRACT, OLEO TF, SNB PLANT, FA-01 PLANT, FA-02/03 PLANT, FAL-01 PLANT, Biorefinery, dan FUTURE PK-CRUSH. TABEL 10 JENIS DAN NILAI KOMPONEN PERENCANAAN FILTER Bus
Jenis Filter
kVAR (3 fasa)
Q factor
Komponen Filter (3 fasa) C (μF)
L (μH)
R (Ω)
REFINER Y-PLANT
ST 5th
479
40
9529
43,571
0,0003
BD 01
ST 5th
118
40
2348
176,8
0,001
ST 5th
36
30
716,2
5,797
0,006
ST 7th
23
30
457,6
459,7
0,009
ST 5th
152
40
3024
137,2
0,001
ST 7th
200
30
3979
52,76
0,001
BD 02
FRACTIO NARY
6|Pro
ceed ing
Tu gas
Akh ir
Jurusan
Te knik
Kondisi Setelah Penambahan Beban
Setelah Pemasangan Filter
SP-BUS-41006
9,49
3,49
SP-BUS-51001
9,52
3,48
SP-BUS-51002
9,55
3,46
SP-BUS-51003
9,55
3,46
SP-BUS-51004
9,53
3,47
SP-BUS-51005
9,52
3,47
SP-BUS-52001
9,59
3,47
SP-BUS-52002
9,60
3,48
SP-BUS-53001
9,56
3,45
SP-BUS-53002
9,80
3,81
SP-BUS-54003
9,55
3,49
SP-BUS-56001
9,40
3,40
SP-BUS-56002
9,21
3,38
CPKO PLANT
9,11
3,04
AIR COMP-UTILITY
8,82
2,79
14,54
3,23
FRACT-PLANT
Elek tro
FTI -ITS
TABEL 12 PERBANDINGAN TINGKAT DISTORSI HARMONISA ARUS SEBELUM DAN SESUDAH PEMASANGAN FILTER HARMONISA
THD V (%) Bus Beban
Kondisi Setelah Penambahan Beban
Setelah Pemasangan Filter
REFINERY-PLANT
13,09
1,97
TF-NKB
9,34
3,28
TF-KB
8,87
2,79
SNB-PLANT
11,79
4,55
WTR-RESERVOIR
9,08
2,98
BD 01
11,75
2,97
BD 02
12,82
ME FRACT
TDDI (%) Kondisi Setelah Penambahan Beban
Setelah Pemasangan Filter
CPKO
5,56
1,84
Decrease
AIR COMP
7,79
2,59
Decrease
FRACTIONARY
10,89
6,00
Decrease
3,59
REFINERY
14,04
9,19
Decrease
12,34
4,87
TF-KB
8,23
2,60
Decrease
FA-01 PLANT
11,98
2,05
CPC-01
7,40
2,60
Decrease
OLEO-TF
14,70
4,86
CPC-02
7,91
2,41
Decrease
6,96
11,09
Increase
Beban
Kondisi Harmonisa
H2 GAS PLANT
9,92
4,82
SNB
PK-CRUSHING 01
13,27
2,85
TF-KB
8,23
2,60
Decrease
PK-CRUSHING 02
13,16
2,93
CPC-01
7,40
2,60
Decrease
PK-CRUSHING 03
13,16
2,93
CPC-02
7,91
2,41
Decrease
NPK-01 PLANT
12,09
2,95
SNB
6,96
11,09
Increase
JETTY
8,95
3,06
WTR_RESERVOIR
7,77
2,56
Decrease
CEN-BOILER UTILITY
15,36
3,49
BD 01
6,38
10,31
Increase
RO/ETP
9,17
3,10
BD 02
7,58
7,42
Decrease
FAL 01 PLANT
12,09
1,75
ME Fract
6,38
4,87
Decrease
BIOREFINERY
10,28
1,34
FA-01
8,55
6,19
Decrease
10,84
1,93
FA-02/03
8,13
4,37
Decrease
8,70
2,80
OLEO TF
15,82
7,62
Decrease
4,65
H2-GAS PLANT
22,69
25,00
Increase
30,57
30,64
Increase
30,57
30,64
Increase
30,57
30,64
Increase
FUTURE PK CRUSH FUTURE SOYA BEAN FUTURE FLOUR MILL
9,73
ELECTROLYZER 1 ELECTROLYZER 2 ELECTROLYZER 3
ELECTROLYZER 1
26,42
21,56
ELECTROLYZER 2
26,42
21,56
ELECTROLYZER 3
26,42
21,56
FA-02/03
15,13
3,60
TF-NKB
3,62
1,20
Decrease
MES
8,68
2,79
RO/ETP LUMP
7,51
2,54
Decrease
NPK 02 PLANT
12,09
3,09
CEN.BOILER UTILITY
16,21
6,46
Decrease
CPC 02 PLANT
9,13
3,14
6,77
2,08
Decrease
PK-CRUSH 01
22,45
2,04
Decrease
PK-CRUSH 02
22,47
PK-CRUSH 03
22,47
NPK 01 PLANT
10,81
NPK 02 PLANT
10,81
1,31
Decrease
JETTY
7,25
2,47
Decrease
FAL-01 PLANT
9,01
7,18
Decrease
BIOREFINERY
5,46
9,83
Increase
9,31
5,96
Decrease
2,51
5,90
Increase
6,74
2,07
Decrease
J.
MES
Perbandingan Harmonisa Arus Sebelum dan Setelah Pemasangan Filter Harmonisa
Terjadi kenaikan harmonisa arus pada tujuh unit beban dan hal ini wajar terjadi menggunakan metode peredaman grup pada level medium voltage. Dari hasil simulasi, beban Electrolyzer menunjukkan fenomena tidak terpengaruh dengan adanya pemasangan filter sehingga distorsi harmonisa arus Electrolyzer masih tetap tinggi. Namun, filter harmonisa ini berhasil mengamankan sistem dari harmonisa tegangan yaitu level THDV dalam batas aman standar IEEE 519-1992 dan peralatan dapat bekerja sesuai dengan rating tegangannya.
7|Pro
ceed ing
Tu gas
Akh ir
Jurusan
Te knik
FUTURE PKCRUSH FUTURE FLOUR MILL FUTURE SOYA BEAN
Elek tro
FTI -ITS
1,95 1,95 1,31
Decrease Decrease Decrease
K. Penggunaan Filter Harmonisa Tegangan Menengah Dari Referensi Tugas Akhir Sebelumnya Sebagai Pertimbangan Untuk Lebih Menekan Tingkat Distorsi Harmonisa Setelah pemasangan filter pada bus tegangan rendah yang ditentukan, terjadi penurunan tingkat distorsi harmonisa tegangan pada sistem kelistrikan PT.Wilmar. Namun, untuk bus ME FRACT, SNB PLANT, OLEO TF, H2 GAS PLANT, dan FUTURE FLOUR MILL tingkat distorsi harmonisa tegangannya masih tinggi dan hampir mendekati 5 %. Mempertimbangkan hal tersebut maka dilakukan pemasangan filter pasif tegangan menengah yang telah dirancang oleh Ersalina W pada tugas akhir sebelumnya. Filter dipasang pada bus tegangan menengah 10,5 KV SPBUS-41000 dan SP-BUS-42000 dengan menggunakan hubungan bintang (wye-connection) solid grounded. TABEL 13 PERBANDINGAN TINGKAT DISTORSI HARMONISA TEGANGAN SEBELUM DAN SESUDAH PEMASANGAN FILTER HARMONISA TEGANGAN MENENGAH THD V (%) Bus Beban
Sebelum Pemasangan Filter MV
SP-BUS-41006
Setelah Pemasangan Filter MV
3,49
THD V (%) Sebelum Pemasangan Filter MV
Bus Beban
Setelah Pemasangan Filter MV
CEN-BOILER UTILITY
3,49
3,05
RO/ETP FAL 01 PLANT
3,10 1,71
1,72 1,41
BIOREFINERY
2,71
2,25
FUTURE PK CRUSH
1,92
1,81
FUTURE SOYA BEAN
2,67
1,39
FUTURE FLOUR MILL
4,51
3,51
21,46 21,46 21,46
19,85 19,85 19,85
FA-02/03
3,68
3,56
MES
2,66
1,38
NPK 02 PLANT
2,95
1,61
CPC 02 PLANT
3,00
1,64
ELECTROLYZER 1 ELECTROLYZER 2 ELECTROLYZER 3
TABEL 14 PERBANDINGAN TINGKAT DISTORSI HARMONISA ARUS SEBELUM DAN SESUDAH PEMASANGAN FILTER HARMONISA TEGANGAN MENENGAH TDDI (%)
2,02
Sebelum Pemasangan Filter MV
Beban
Setelah Pemasangan Filter MV
Kondisi Harmonisa
SP-BUS-51001
3,48
2,02
SP-BUS-51002
3,46
2,01
SP-BUS-51003
3,46
2,01
CPKO
1,84
1,00
Decrease
SP-BUS-51004
3,47
2,01
AIR COMP
2,59
1,31
Decrease
SP-BUS-51005
3,47
2,01
FRACTIONARY
6,00
2,63
Decrease
SP-BUS-52001
3,47
2,04
REFINERY
9,19
3,35
Decrease
SP-BUS-52002
3,48
2,04
TF-KB
2,60
1,38
Decrease
SP-BUS-53001
3,45
1,99
CPC-01
2,60
1,32
Decrease
2,41
1,43
Decrease
11,09
7,06
Decrease
2,56
1,39
Decrease
SP-BUS-53002
3,81
2,31
CPC-02
SP-BUS-54003
3,49
2,02
SNB
SP-BUS-56001
3,40
1,97
WTR_RESERVOIR
SP-BUS-56002
3,38
1,96
BD 01
10,31
4,94
Decrease
CPKO PLANT
3,04
1,67
BD 02
7,42
3,93
Decrease
AIR COMP-UTILITY
2,79
1,47
ME Fract
4,87
3,23
Decrease
FRACT-PLANT
3,23
2,94
FA-01
6,19
3,38
Decrease
REFINERY-PLANT
1,97
1,67
FA-02/03
4,37
2,85
Decrease
TF-NKB
3,28
1,86
OLEO TF
7,62
5,83
Decrease
TF-KB
2,79
1,53
25,00
25,53
Increase
SNB-PLANT
4,55
3,88
WTR-RESERVOIR BD 01 BD 02 ME FRACT FA-01 PLANT OLEO-TF H2 GAS PLANT
2,98 2,97 3,59 4,87 2,05 4,86 4,82
1,63 2,27 2,92 4,09 1,99 4,09 3,83
30,64
30,65
Increase
30,64
30,65
Increase
30,64
30,65
Increase
TF-NKB
1,20
1,86
Decrease
PK-CRUSHING 01
2,85
1,53
RO/ETP LUMP
2,54
1,40
Decrease
CEN.BOILER UTILITY
6,46
3,71
Decrease
MES
2,08
1,08
Decrease
PK-CRUSH 01
2,04
1,20
Decrease
H2-GAS PLANT
PK-CRUSHING 02
2,93
1,60
PK-CRUSHING 03
2,93
1,60
NPK-01 PLANT
2,95
1,61
JETTY
3,06
1,71
8|Pro
ceed ing
Tu gas
Akh ir
Jurusan
Te knik
ELECTROLYZER 1 ELECTROLYZER 2 ELECTROLYZER 3
Elek tro
FTI -ITS
3.
TDDI (%) Sebelum Pemasangan Filter MV
Beban
Setelah Pemasangan Filter MV
Kondisi Harmonisa
PK-CRUSH 02
1,95
1,06
Decrease
PK-CRUSH 03
1,95
1,06
Decrease
1,31
0,7
NPK 02 PLANT
1,31
0,7
Decrease
JETTY
2,47
1,37
Decrease
FAL-01 PLANT
7,18
3,03
Decrease
BIOREFINERY
9,83
6,38
Decrease
5,96
3,42
Decrease
5,90
6,74
Increase
2,07
1,08
Decrease
NPK 01 PLANT
FUTURE PKCRUSH FUTURE FLOUR MILL FUTURE SOYA BEAN
Terdapat delapan unit beban yang mengalami kenaikan total distorsi harmonisa arus termasuk tiga unit beban Electrolyzer sedangkan dua puluh dua unit beban lainnya berhasil diturunkan secara signifikan.
B. Saran 1. Distorsi harmonisa arus pada beban Electrolyzer terbukti cukup efektif diredam menggunakan filter pasif yang dipasang pada level tegangan rendah dengan metode peredaman individual. Namun masih terdapat lima unit beban yang harmonisa tegangannya cukup besar dan mendekati 5 %. Sebagai tindak lanjut upaya peredaman harmonisa maka dapat diuji menggunakan filter pasif yang dipasang dengan gabungan antara metode peredaman individual dan group. 2. Seiring dengan penambahan beban serta penambahan kapasitas daya, diperlukan pula studi lebih lanjut mengenai permasalahan kualitas daya (power quality) seperti kompensasi daya reaktif dan peredamanan distorsi harmonisa untuk mengamankan peralatan tenaga listrik pada pabrik serta memperpanjang umur dari peralatan tersebut.
Decrease
Terjadi penurunan tingkat distorsi harmonisa arus kecuali 5 beban yaitu beban H2-GAS PLANT, ELECTROLYZER 1, ELECTROLYZER 2, ELECTROLYZER 3 dan FUTURE FLOUR MILL menunjukkan kenaikan yang tidak terlalu tinggi. V. KESIMPULAN DAN SARAN
DAFTAR PUSTAKA Kusko, Alexander, Marc T.Thompson. “Power Quality in Electrical Systems”. McGraw-Hill Companies, Inc. 2007. Werda Mukti, Ersalina. “Analisis Pemasangan Electrolyzer dan Perencanaan Filter Harmonisa Pada Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik Untuk Meredam Tingkat Distorsi Harmonisa”. Tugas Akhir. ITS. 2011. Pujiantara, Margo., “Penyempurnaan Desain Filter Harmonisa Menggunakan Kapasitor Eksisting Pada Pabrik Soda Kaustik Di Serang-Banten”, JAVA Journal of Electronics Engineering, Vol.1, no.2, pp. 18-19, 2003. Rizkytama, Ardian. “Perencanaan High Pass dan Single Tuned Sebagai Filter Harmonisa Pada Sistem Kelistrikan Tabang Coal Uograding Plant (TCUP) Kalimantan Timur”. Tugas Akhir. ITS. 2009.
A. Kesimpulan Pada kondisi existing, kapasitor bank yang dipergunakan untuk koreksi faktor daya menyebabkan fenomena resonansi paralel yang memperbesar total distorsi harmonisa sistem (harmonic amplification). Pemasangan tiga unit beban Electrolyzer merupakan penyebab tingginya THD arus dan tegangan. Untuk mengoptimalkan faktor daya dan meredam distorsi harmonisa serta meminimalkan potensi resonansi sistem, maka perlu direncanakan filter pasif yang dipasang pada level tegangan rendah. Bus yang dipilih sebagai lokasi pemasangan filter harmonisa adalah bus Refinery Plant, BD 01, BD 02, Fractionary , Central Boiler Utility , ME Fract, OLEO TF, SNB Plant, FA-01 Plant, FA-02/03 Plant, FAL01 Plant, Biorefinery, dan Future PK-CRUSH.
[1]
Hasil simulasi dan analisis pemasangan filter pasif dengan metode group sebagai upaya optimalisasi kualitas daya pada sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik didapat sebagai berikut:
Arko Setiyo Prabowo, lahir di Surabaya pada 18 November 1989. Penulis merupakan putra pertama dari Bapak Djoko DNS dan Ibu Suciarti. Penulis menempuh pendidikan di SD Negeri Kebonsari II Surabaya, SLTP Negeri 12 Surabaya, SMA Negeri 15 Surabaya, dan melanjutkan pendidikan ke jenjang sarjana dengan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya. Penulis juga aktif menjadi fungsionaris Badan Eksekutif Mahasiswa Fakultas Teknologi Industri ITS periode 2009/2010. Penulis pernah menjadi seorang staff magang bagian operation training pembuatan modul elektrik peralatan pembuat rokok pada PT.HM SAMPOERNA, Tbk.
1.
2.
9|Pro
Single Tuned Filter orde 5 dipasang pada bus Refinery Plant, BD 01, BD 02, Fractionary , Central Boiler Utility , ME Fract, OLEO TF, SNB Plant, FA-01 Plant, FA-02/03 Plant, FAL-01 Plant, Biorefinery, dan Future PK-CRUSH untuk meredam harmonisa orde 5 dan Single Tuned Filter orde 7 dipasang pada bus Fractionary, BD 02, Central Boiler Utility, dan ME Fract. Harmonisa tegangan untuk keseluruhan sistem berhasil diturunkan. Namun masih terdapat lima unit beban yang harmonisa tegangannya cukup besar dan mendekati 5 % yaitu ME FRACT, SNB Plant, OLEO TF, H2 Gas Plant, dan Future Flour Mill. Sehingga sebagai referensi dipergunakan filter pasif hasil perancangan dari Ersa W.M, S.T yang dipasang Filter dipasang pada bus tegangan menengah 10,5 kV. ceed ing
Tu gas
Akh ir
Jurusan
Te knik
[2]
[3]
[4]
RIWAYAT HIDUP
Elek tro
FTI -ITS
