STUDI PERBAIKAN FAKTOR DAYA DAN REDUKSI HARMONIK KE LIMA SISTEM KONVERTER DAYA SIX-PULSE JENIS STATIS MENGGUNAKAN TAPIS PASIF TERTALA TUNGGAL

STUDI PERBAIKAN FAKTOR DAYA DAN REDUKSI HARMONIK KE LIMA SISTEM KONVERTER DAYA SIX-PULSE JENIS STATIS MENGGUNAKAN TAPIS PASIF TERTALA TUNGGAL

SAPTO NISWORO Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Tidar Magelang ABSTRACT The development of the power of electric components are possible to make large capacity power converter, so the general power quality is decreasing. The calculation of the result obtained in the ratio voltage RMS across the capacitor 0,879503 PU, the value is smaller than IEEE18 standard that is 1,1 PU. Ratio peak voltage across capasitors 0,981045 PU smaller than IEEE-18 standart that is 1,8 PU. So single tuned filter can get the value capasitor reactance 138,889 Ω meet IEEE-18 standart and can reduce harmonic 5th olso to improve 1 phase power reactance 1294,72 kVAR and to improve 3 phase 3 phase power reactance 3884,17 kVAR Keyword : Power factor, improve, harmonic, filter

13

Studi Perbaikan Faktor Daya Dan Reduksi Harmonic …… (Sapto Nisworo)

A.

PENDAHULUAN

Penyaluran daya listrik yang ideal pada umumnya menggunakan frekuensi tunggal dan konstan serta pada tegangan tertentu. Harmonik merupakan tegangan atau arus yang sinusoida dengan frekuensi yang merupakan kelipatan dari frekuensi fundamental dari sistem tenaga. Distorsi harmonik berasal dari beban non linear yang bersumber pada karakteristik beban dan peralatan yang berada pada sistem tenaga listrik. Peralatan listrik yang merupakan beban tidak linear, menimbulkan arus yang tidak linear, dan arus ini akan menginterferensi jaringan listrik. [11] Sistem tenaga listrik yang terkontaminasi gelombang harmonik, merupakan persoalan yang sangat serius, perkembangan komponen penyaklaran semi konduktor dengan kemampuan arus yang besar berimplikasi menimbulkan harmonik pada sistem jaring tenaga listrik, berupa cacat gelombang pada tegangan maupun arus. Sebagai hasil akhir, terjadi menurunkan kinerja, meningkatnya suhu dan bahkan terjadi malfungsi terhadap peralatan lain yang menggunakan jaring tersebut [16]. Dampak daya dari gelombang harmonik dapat mengganggu kinerja transformator. Rugi daya transformator meningkat dengan meningkatnya faktor harmonik, mengakibatkan meningkatnya arus netral [15]. Pengaruh yang sering timbul berupa distorsi yang menyebabkan bentuk gelombang sinusoidal terganggu. Penambahan kapasitor yang digunakan untuk menaikkan faktor daya akan semakin memperkuat distorsi pada sistem. Akibat adanya harmonik akan muncul daya aktif harmonik, daya semu harmonik, total kuadrat harmonik arus, daya semu kuadrat yang 14

Vol. 39 No. 2, 15 Agustus 2013 : 13-27

frekuensinya bukan fundamental, sehingga biaya beban yang dibayarkan akan relatif lebih mahal. Harmonik juga dapat mempengaruhi meter pengukur daya sehingga daya yang terukur menjadi terdistorsi dan akan mengakibatkan pengukuran menjadi tidak akurat. Penyelesaian masalah harmonik pada level konsumen akan membawa dampak yang sangat berarti pada tingkat penyedia daya. [11] Industri pelanggan daya listrik dari PT. PLN (persero) yang mengoperasikan alat listriknya dengan faktor daya lebih kecil atau sama dengan 0,85 dikenakan biaya pemakaian dan kVARH, untuk sistem tegangan nominal 20 kV dan dibawahnya, termasuk sistem tegangan rendah 220 V, total cacat harmonik tegangan maksimum 3 % [22]. B.

PEMBAHASAN

Kualitas sistem tenaga listrik salah satunya ditandai dengan adanya tegangan sinusoida yang mempunyai amplitudo dan frekuensi yang konstan, sehingga arus yang mengalir berbanding lurus dengan beban yang terpasang. Sistem tenaga listrik secara garis besar terdiri dari sistem pembangkit, sistem penyaluran dan beban [15]. Standar konvensional dimodelkan menjadi sistem linear dengan elemen-elemen pasif, tegangan sinusoidal konstan, frekuensi, dan fasa konstan. Namun pada kenyataannya, beban tenaga listrik sangat variatif, gejala harmonik dapat dirumuskan dan dianalisis secara matematis setelah diketahui bentuk gelombang yang dimaksud [18]. Kualitas tenaga listrik secara umum disefinisikan perbedaan keadaan normal ke keaadaan tegangan yang naik - turun, 15


meningkatnya faktor daya, keadaan yang membuat sistem transient, interfernsi magnetig, pengosongan elektrotatik dan sistem pentanahan yang buruk [4]. Gelombang harmonik selalu didefinisikan suatu gelombang distorsi tunak dari gelombang arus dan atau tegangan secara periodik yang tercampur dengan gelombang fundamental. Nilai harmonik selalu diikuti dengan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamental [11]. Untuk meminimumkan gelombang-gelombang harmonik pada jaring listrik, perlu dipasang rangkaian tapis pelewat bidang yang sesuai [5]. Tapis pasif dapat meningkatkan kompensasi kinerja pada industri dengan beban non linear [6]. Untuk menekan kandungan harmonik akibat proses penyearahan isyarat bolak-balik menjadi searah pada sistem tenaga listrik tegangan tinggi arus searah dipergunakan tapis pasif dengan penalaan ganda [13]. Sistem tenaga listrik pada konsumen non industri yang terdiri dari beban 3 fasa dan 1 fasa mempunyai cacat harmonik arus yang tinggi, mereduksi dilakukan dengan memasang tapis, sehingga cacat harmonik dapat menurun, mereduksi harmonik dan pengendalian faktor daya pada sistem 3 fasa dapat dilakukan dengan memasang tapis yang sesuai [3]. Tapis yang dipasang secara paralel dapat mengkompensasi harmonik dan tegangan tidak seimbang secara simultan [17], dan untuk jaring satu fasa disamping untuk tapis harmonik juga untuk mengkompensasi faktor daya [2],[20],[1] . Menurut [9] berpendapat bahwa tapis harmonik tapis pasif konvensional tapis tersebut dapat dipasang pada jaring yang berbeban non linear selain sebagai tapis harmonik antara lain sebagai koreksi faktor daya dan regulasi tegangan. 16

Vol. 39 No. 2, 15 Agustus 2013 : 13-27

Tapis pasif yang dipasang secara shunt secara umum dapat mengkompensasi harmonik arus dan faktor daya dari penyearah dan sejenisnya [21]. Mereduksi harmonik pada rumah tinggal dengan skala daya yang relatif besar dapat dipergunakan tapis pasif [10]. Tapis pasif yang dipasang pada industri sistem tenaga listrik dapat dioperasikan sebagai peredam resonans harmonik, tapis pasif dengan kapasitas kecil dipergunakan untuk mendeteksi harmonik orde 5 untuk selanjutnya arus dialirkan pada tapis tersebut [13]. Tapis pasif daya pasif yang dipasang secara paralel dengan beban sering digunakan untuk meredam harmonik orde 5 dan orde 7 yang secara umum mempunyai nilai yang relatif tinggi [19], [13]. Pemasangan kapasitor sebagai kompensasi daya reaktif dapat menekan harmonik orde tertentu pada sistem jaring tenaga listrik [7] . Pemasangan kapasitor paralel yang sesuai menghasilkan perbaikan faktor daya sebanding dengan nilai kapasitans yang terpasang [8]. Representasi kuantitas tenaga listrik untuk situasi non sinusoidal beban yang konstan, dihasilkan gelombang harmonik yang tunak, untuk perubahan tegangan dan arus yang mendadak menurut deret Fourier dapat presentasikan f(t) =

∞ a 0 + ∑ {a n cos(nω 0 t) + b n sin(nω 0 t)} n =1 2

1

…………………....... (1)

Sehingga untuk tegangan dan arus didefinisikan menjadi persamaan (2) dan (3). ∞ ∞ v(t) = ∑ v h (t) = ∑ 2Vn sin(nω0 t + θ n ) n =1 n =1

17

…………………….. (2)


∞ ∞ i(t) = ∑ i h (t) = ∑ 2I n sin(nω0 t + φ n ) n =1 n =1

……………………..……….

Untuk menentukan nilai daya didefinisikan dengan persamaan (4) ∞ ∞ P = ∑ Vn I n cos(θ n + φ n ) = ∑ Pn n =1 n =1

…………………..………...………

dan untuk komponen reaktif Q didefinisikan dengan persamaan (5) ∞ Q = ∑ Vn I n sin(ω n + θ n ) n =1 ………………………………………….

Notasi Q adalah daya reaktif dari gelombang fundamental, hal ini sesuai dengan nilai n =1, nilai Q menjadi minimal bilamana dilakukan perubahan sudut yang membentuk antara arus dan tegangan. Hal ini dilakukan dengan memasang kapasitor secara paralel, sehingga dapat meminimalkan sudut antara arus dan tegangan [6]. Teknik mereduksi harmonik secara pasif dilakukan dengan tapis pasif dengan memanfaatkan watak dari induktans (L) dan kapasitans (C). Induktans menghasilkan reaktans berbanding lurus dengan frekuensi yang dikenakan, sedang kapasitans mengahsilkan reaktan berbanding terbalik dengan frekuensi yang dikenakan [8]. Tapis LCR dirancang untuk frekuensi dasar 50 Hz dan yang lazim banyak digunakan untuk tapis pasif pada sistem tenaga listrik khususnya di industri-industri. Perancangan tapis yang relatif sederhana, sehingga mudah untuk dibuat oleh para teknisi-teknisi tenaga listrik [8],[13]. Perancangan dimulai dengan menentukan angka kualitas (Q), 18

Vol. 39 No. 2, 15 Agustus 2013 : 13-27

angka ini menentukan nilai lebar bidang dari tapis yang dirancang. Nilai Q menurut [12], nominal Q berkisar dari 30 sampai dengan 60, nilai Q yang rendah sangat cocok digunakan pada perancangan tapis untuk frekuensi tinggi [11],[15]. Besaran dari tapis didefinisikan sebanding dengan daya reaktif dari catu daya pada frekuensi fundamental. Secara substansi sepadan dengan daya reaktif frekuensi fundamental catu daya bolak balik. Jumlah ukuran dari semua cabang dari tapis ditentukan oleh kebutuhan perbaikan daya reaktif yang disebabkan oleh beban maupun dari sisi sumber sebagai pencatu daya. Kriteria ideal dari perancangan tapis adalah untuk mengeliminasi dari semua pengaruh pengganggu yang menyebabkan gelombang listrik cacat/terdistorsi, termasuk didalamnya dalah gangguan pada interferensi telepon, yang sangat sulit untuk dieliminasi, walaupun terkadang kriteria ideal tidak realistis untuk segi keteknikan dan ekonomi. Dari sisi keteknikan menunjukkan bahwa sangat sulit untuk menghilangkan gelombang harmonik pada sisi jala-jala listrik secara sempurna, dan dari segi ilmu ekonomi jumlah biaya yang dikeluarkan untuk realisasi tapis harmonik sangat mahal, walaupun dalam keadaan jala-jala terdistorsi gelombang harmonik, peralatan yang terpasang pada jaring yang terdistorsi dengan gelombang harmonik masih dapat dioperasikan dan tidak signifikan dampak yang ditimbulkan. Pengendalian secara umum, praktis dengan mencoba mereduksi arus harmonik dari titik penyambungan bersama dengan pelanggan lain. Permasalahan diekspresikan dalam syarat-syarat harmonik arus, harmonik tegangan dan keduanya. Kriteria dasar pada harmonik tegangan sangat tepat untuk perancangan suatu tapis, sebab hal ini sangat mudah untuk 19


menjamin kondisi layak untuk tegangan dan arus serta jaring pengganti AC. Indeks tegangan THD banyak diwakili oleh penjumlahan aritmatik daya harmonik secara bersama merupakan persoalan yang sulit dari suatu gangguan sistem[18]. C.

PERMODELAN SISTEM

Kebanyakan sistem tenaga listrik pada industri terkendala dengan adanya cacat harmonik yang disebabkan dari beban-beban non linear yang ditambah dengan ketidaklinearan arus dan tegangan dari sumber pencatunya. A.

Model tapis tertala tunggal Tapis pasif tertala tunggal selanjutnya dimodelkan seperti pada gambar 1 dibawah ini

Gambar 1. Tapis teratala tunggal Tapis pasif harmonik dibangun dengan memanfaatkan watak dari komponen pasif kapasitor dan induktor, kedua komponen 20

Vol. 39 No. 2, 15 Agustus 2013 : 13-27

tersebut bilamana disusun secara seri menghasilkan frekuesi resonans senilai : …………………………..…………………… (5) dengan fo adalah frekuensi resonans dalam satuan Hz, L adalah induktans dalam satuan Henry, dan C adalah kapasitans dalam satuan Farad. Selanjutnya dihitung nilai kualitas dari tapis dengan notasi Qf yang merupakan perbandingan antara komponen reaktans induktif dan kapasitif dibawah frekuensi resonans dan resitans. Fluktuasi nilai Qf yang dipasang pada sistem tenaga listrik di industri berkisar antara 15 sampai 80 yang didefinisikan: ………………………………………………… (6) Tapis dengan tegangan rendah antara 480 sampai dengan 600 Volt menggunakan inti besi dengan celah udara, impedans tapis yang dipasang pada cabang adalah : …………………………...……………. (7) Untuk menghitung reaktans induktans dan kapasitans pada frekuensi harmonik dilakukan dengan persamaan : dan dengan persamaan

dengan frekensi fundamental dihitung , dengan indek h adalah nilai reaktans

pada frekuensi harmonik. Agar terjadi resonans syarat yang harus dipenuhi dengan mengacu persamaan diatas diperoleh:

,

………………………………..……...….(8)

21


dengan Ls adalah induktan dari sumber. Tegangan RMS puncak dari kapasitor tidak boleh melebihi 120 % dari nilai tegangan kapasitor [23], dihitung dengan persamaan: dan ………………………………………………………………..

(9)

tegangan frekuensi fundamental yang terjadi pada kapasitor diperoleh dengan , IC1 adalah arus yang mengalir pada kapasitor yang dihitung dari tegangan maksimum antara fasa dan netral, dan diasumsikan 5% diatas nilai dasar :

………………………………………………………………. (10) Arus RMS yang melalui kapasitor bank maksimum 135 % dari nilai dasar kemampuan kapasitor, menurut aturan [23]. Nilai tersebut dihitung dengan mempertimbangkan dari arus fundamental dan dari arus harmonik: ………………………………………

(11)

sedang untuk menghitung kVAR menurut [23] ditentukan dengan persamaan: …………….……………………… (12)

22

Vol. 39 No. 2, 15 Agustus 2013 : 13-27

B.

Simulasi pengujian rangkaian Kapasitor yang dipasang seri dengan induktans dipergunakan sebagai kapasitor bank yang berfungsi untuk memperbai faktor daya yang sekaligus digunakan untuk mereduksi harmonik ke 5 dari sistem konverter daya six-pulse. Hasil hitungan dari simulasi dibandingkan dengan standar yang direkomendasikan oleh IEEE-18. Simulasi dilakukan untuk kapasitor arus harmonik yang ditapis adalah orde 5, tegangan antar fasa 13,8 kV, data nilai/kapasitas kapasitor bank 4,5 MVAR, data tegangan kapasitor bank senilai 25 kV, dan beban pada jaringan yang terpasang senilai 8 MVA. Dengan menggunakan persamaan-persamaan diatas yang disusun dengan pemrograman MATLAB dijalankan menghasilkan nilai berturut-turut sebagai berikut HASIL PERHITUNGAN NILAI REAKTANS KAPASITOR NILAI REAKTANS INDUKTOR PARAMETER OPERASI KAPASITOR ARUS HARMONIK DARI BEBAN YANG MEMBALIK KE ARUS FUNDAMENTAL REAKTANS KAPASITOR PADA HARMONIK KE 5 TEGANGAN PUNCAK FUNDAMENTAL PADA KAPASITOR TEGANGAN PUNCAK HARMONIK KE 5 PADA KAPASITOR TEGANGAN PUNCAK PADA KAPASITOR TEGANGAN RMS PADA KAPASITOR RASIO TEGANGAN RMS KAPASITOR ..batas maksimal rekomendasi IEEE 1,1 PU RASIO TEGANGANPUNCAK PADA KAPASITOR ..batas maksimal rekomendasi IEEE 1,2 PU ARUS RMS KAPASITOR ARUS RATE KAPASITOR ARUS KAPASITOR ..batas maksimal rekomendasi IEEE 1,8 PU RATIO ARUS RMS DENGAN ARUS RATED kVAR SATU FASA

23

= 138.889 OHM = 5.55556 OHM = 90.9327 A = 46.188 A = 27.7778 OHM = 12629.5 V = 1283 V = 19675.3 V = 12694.5 V = 0.879503 PU = 0.963889 PU = 101.991 A = 103.923 A = 0.981405 PU = 1.17769 = 1294.72 kVAR

Studi Perbaikan Faktor Daya Dan Reduksi Harmonic …… (Sapto Nisworo) kVAR TIGA FASA MVA DERATED RASIO kVAR 3 FASA / kVAR RATED

D.

= 3884.17 kVAR = 2.88 MVA = 1348.67

PENUTUP

Dengan tegangan antar fasa 20000 Volt, kapasitas kapasitor bank 4500 VAR, tegangan kapasitor bank 25000 Volt dengan rencana beban 8 MVA, diperoleh nilai reaktans kapasitor pada harmonik ke 5 adalah 138,889 Ω, dan nilai reaktans adalah 5,55556 Ω, rasio tegangan RMS pada kapasitor 0,879503 pu, nilai tersebut lebih kecil yang disyaratkan IEEE-18 yaitu 1,1 pu, rasio tegangan puncak pada kapasitor 0,963889 pu lebih kecil yang disyaratkan oleh IEEE-18 yaitu1,2 pu, dan arus kapasitor 0,981405 pu lebih kecil yang disyaratkan oleh IEEE-18 yaitu 1,8 pu, maka semua nilai hasil perhitungan sudah sesuai dengan standart IEEE-18 DAFTAR PUSTAKA A.Omeri , A. Haddouce, L. Zellouma dan S. Saad, 2006, A Three Phase Shunt Active Power Filter for Currents Harmonics Suppession and Reactive Power Compensation, Asian Journal of Technology, 5(12): pp 1454-1457; A. N. Jog, dan G. A. Apte,., 2007, An Adaptive Hysteresis Band Current Controlled Shunt Active Power Filter, IEEE, pp 14244; B. Singh, K. Al-Haddad dan A.Chandra, 1998, A New Control Approach to Three-Phase Active filter for Harmonic and

24

Vol. 39 No. 2, 15 Agustus 2013 : 13-27

Reactive Power Compensation, III Transaction on Power System Vol. 13 No. 1 Januari, pp 133 – 138; C. Shankaran, 2002, Power Quality, CRC Press, London; D. G.Fink, 1975, Electronic Engineers Handbook, McGraw-Hill, Inc, Lodon; D. Rivas, L. Moran, J.W. Dixon dan J. R. Espinoza, 2003, Improving Passive Filter Compensation Performance With Active Techniques, IEEE Transaction on Industrial Electronics, Vo. 50, No. 1; February F. M.Fernandez dan C. P. S.Nair, 2007, Influence of Power Factor Compensating Capacitors on Estimation of Harmonic Distortion, 9th International Conference Electrical Power Quality and Utilisation, Barcelona, pp 1 - 4; Hadi Saadat,1999, Power System Analysis, Mc Graw-Hill Book Company, Singapore; Hirofuni Akagi, 2006, Modern Active Filter and Traditional Passive Filter, Bulletin of the Polish Academy of Scince Technical Science, Vo. 54, No. 3, pp 255 – 269; H. Yang, Mansoor, Y. Gang, Z. Li-Dan, dan C. Chen, 2007, Harmonic Mitigation of Residential Distribution System Using a Novel Hybrid Active Power Filter, WSEAS Transaction on Power System, Issue 12, Vol 2, pp 255-260; 25


J. Arrilaga, C. B, Smitt.. , Watson dan R. Neville dan R. Wood Alan, 1997, Power System Harmonic; John Willey & Son, New York, USA; pp 2-15; J.Arrilaga,. dan N.R. Watson, 2004, Power System Harmonics, John Willey & Son, England, pp 219-259; M. A. Zamani, 2007, Damped-Type Double Tuned Filter Design for HVDXC System, 9th International Converence Electrical Power Quality and Utilisation, Barcelona, 9-11 October; M. Izhar, C. M Hadzer, S..Masri, dan S. Idris, , 2003, A Studi of Fundamental Principles to Power System Harmonic, National Power and Energy Converence (PECon), pp 225 232; M. W. Grady, dan R. J.Gileskie, 1993, Harmonics and How They Relate to Power Factor, Proc. Of The EPRI Power Quality Issues & Opportunities Conference, pp 1 - 8; N. R. Jayasinghe, J. R.Lucas dan K. B. I. M. Perera , 2003, Power System Harmonic Effects on Distribution Transormers and New Design Consideration for K Factor Transformer, IEE Sri Lanka Annual Sessions, India; P. Moran, I. Pastorini dan R. Wallace, 2000, Series Active Power Filter Compensates Current Harmonics and Voltage Unbalance Simultaneously, IEE Proc Transm Distrib, Vol 147 No. 1 Januari, pp 31- 36; 26

Vol. 39 No. 2, 15 Agustus 2013 : 13-27

R, A, J. Khan, dan Muhammad Akmal , 2008, Mathematical Modeling of Current Harmonics Caused by Personal Computer, International Journal of System Science & Engineering 1;2, pp. 103 ÷ 107; R. Dejhini, B. Berbaoui, C. Benachaiba dan Harici, Otmane, 2010, Shunt Hybrid Active Power Filter Improvement Based on Passive Power Filter Synthesis by Generic Algorithm, International Journal of Engineering Science and Technology, Vol. 2(25), pp 1885-1193; R.Pregitser, j. G. Pinto, M. J. Sepulveda dan J. L. F. Aonso,., 2007, Parralel Association of Shunt Active Filter, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, June 47, Vigo, Spain; T. Mahaleksmi, 2010, Current Harmonic Compensation and Power Factor Improvement by Hybrid Shunt Active Power Filter, International Journal of Computer Application (0975-8887), vo. 4 No.3 July, pp 9 – 13; Wardani,1996, Pengaruh Beban Industri Pada Mutu Tenaga Listrik, Energi Listrik Vol VI, No. 2 Juni 1999 ……….. , 2002, IEEE-18, Standard for Shunt Power Capasitors, IEEE Inc., New York.

27

STUDI PERBAIKAN FAKTOR DAYA DAN REDUKSI HARMONIK KE LIMA SISTEM KONVERTER DAYA SIX-PULSE JENIS STATIS MENGGUNAKAN TAPIS PASIF TERTALA TUNGGAL

Recommend Documents