Variasi Tuning dan Quality Factor pada Perancangan Single-Tuned Passive Filter untuk Optimasi Reduksi Distorsi Harmonik

Variasi Tuning dan Quality Factor pada Perancangan Single-Tuned Passive Filter untuk Optimasi Reduksi Distorsi Harmonik Fauziah Aini dan Ir. Agus R. Utomo, MT 1. Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok, Indonesia 2. Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok, Indonesia

E-mail: [email protected]

Abstrak Jurnal ini membahas tentang upaya reduksi harmonik pada sistem tenaga listrik yang memiliki beban non-linier variable frequency drives menggunakan single-tuned passive filter. Variasi tuning dan quality factor pada perancangan filter dilakukan untuk mendapatkan nilai reduksi yang optimal dan memenuhi standar IEEE 5191992. Variasi tuning factor yang dilakukan adalah ± 0.5 dari orde harmonik dominan dan variasi quality factor adalah 1 hingga 80. Dari hasil simulasi menggunakan ETAP 7.0.0, nilai reduksi harmonik optimal didapatkan dengan pemasangan dua buah single-tuned passive filter dengan tuning factor 5.1 dan 11.1 dan quality factor 60 hingga 80. Besarnya reduksi harmonik arus adalah 16.11% dan besarnya reduksi harmonik tegangan adalah 8.11%, dimana nilai individual harmonic distortion dan total harmonic distortion telah memenuhi standar. Pembebanan pada transformator penyuplai berhasil diturunkan dari 81% menjadi 69.6%.

Variation of Tuning and Quality Factor in Single-Tuned Passive Filter Design to Optimize the Reduction of Harmonic Distortion Abstract This focus of study is about the reduction of harmonic distortion in power system supplied non-linear loads variable frequency drives using single-tuned passive filter. Variation of tuning and quality factor has been done to optimize harmonic reduction value to meet IEEE 519-1992 requirement. Variation of tuning factor is ± 0.5 around its dominant harmonic order and variation of quality factor is 1 up to 80. Simulation using ETAP 7.0.0 results optimum reduction of harmonic distortion is achieved by using 2 single-tuned passive filters with tuning factor 5.1 and 11, and quality factor 60 up to 80. Current harmonic distortion has been reduced 16.11% and voltage harmonic distortion has been reduced 8.11%, where individual harmonic distortion and total harmonic distortion has met the requirement. Feeder transformer loading has been reduced from 81% to 69.6%. Key words: harmonic distortion, transformers loading, quality factor, single-tuned passive filter, tuning factor, variable frequency drives

Pendahuluan

Penggunaan divais elektronika daya seperti dioda, thyristor, IGBT, MOSFET sebagai perangkat switching semakin berkembang luas dan digunakan pada banyak aplikasi seperti rectifier, variable speed drives, uninterruptible power supplies, static power converter, dan lain-lain. Peralatan tersebut menyebabkan bentuk gelombang arus dan tegangan terdistorsi

Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015

akibat superposisi antara gelombang frekuensi dasar dengan gelombang frekuensi kelipatan bulat dari frekuensi dasar, pada satu periode. Kelipatan bulat tersebut dinamakan harmonik. Distorsi harmonik mempengaruhi komponen lain di sistem tenaga listrik. Pengaruhnya berupa peningkatan arus dan tegangan rms. Efek lebih lanjut adalah pemanasan kabel dan degradasi kemampuan dielektrik, peningkatan rugi tembaga dan fluks pada transformator, pemanasan berlebih dan rugi-rugi pada kapasitor bank, operasi relay yang tidak sesuai, serta gangguan dan kerusakan dari sistem kontrol dan telekomunikasi [1]. Salah satu komponen yang terpengaruh oleh distorsi harmonik adalah transformator daya. Distorsi ini meningkatkan suhu dan mengubah nilai pembebanan maksimum [2], [3]. Harmonik juga dapat meningkatkan rugi-rugi dan menurunkan umur harapan hidup transformator tersebut [4]. Beberapa upaya dilakukan untuk mereduksi harmonik, salah satunya dengan filter pasif. Dalam [5], penggunaan filter pasif untuk mereduksi arus harmonik berhasil menghemat energi dan memperbaiki faktor daya dari beban rumah tangga. Dalam [6], filter pasif yang dirancang dengan mempertimbangkan variansi tuning dan quality factor dengan metode bode plot menunjukkan hasil sesuai standar pada [7]. Perancangan filter pasif untuk mendapatkan frekuensi tuning optimal menggunakan partial resonance ratio telah diajukan dalam [8]. Pada jurnal ini dibahas distorsi harmonik pada sistem tenaga listrik dengan beban varible frequency drives dan motor induksi yang disuplai oleh transformator tiga fasa. Variasi tuning dan quality factor dilakukan pada perancangan single-tuned passive filter untuk mendapatkan parameter filter yang dapat mereduksi level distorsi harmonik secara optimal dan sesuai standar IEEE 519-1992. Pengaruh pemasangan filter ini juga akan berdampak terhadap rugirugi dan pembebanan transformator penyuplai. Level harmonik yang ditinjau adalah sampai pada orde harmonik ke 25. Tuning factor akan divariasikan hingga ±0.5 dari orde harmonik dominannya sedangkan quality factor divariasikan dari 1 hingga 80. Fenomena Harmonik

Sistem kelistrikan yang secara luas digunakan adalah sistem AC (alternating current), dimana besar tegangan dan arusnya mengalami perubahan polaritas terhadap waktu dengan frekuensi tertentu. Pada kenyataannya, gelombang tegangan dan arus AC tidak berbentuk sinusoidal murni. Ada berbagai faktor yang menyebabkan penyimpangan, salah satunya distorsi harmonik.


Sumber harmonik menyebabkan terdistorsinya gelombang arus, kemudian menginjeksikan arus harmonik ke dalam sistem. Arus harmonik yang melewati suatu impedansi akan mengakibatkan terjadinya distorsi tegangan. Ada beberapa istilah yang sering digunakan ketika membahas harmonik, antara lain: • Komponen harmonik: gelombang sinusoidal yang mempunyai frekuensi kelipatan bilangan bulat dari frekuensi dasarnya. • Orde harmonik: bilangan bulat yang merupakan perbandingan antara frekuensi harmonik dengan frekuensi dasarnya. • Individual Harmonic Distortion (IHD): perbandingan nilai tegangan atau arus rms pada salah satu frekuensi harmonik terhadap nilai tegangan dan arus rms frekuensi dasarnya. • Total Harmonic Distortion (THD): perbandingan antara nilai rms dari keseluruhan komponen harmonik dengan nilai rms dari komponen dasarnya.

Gbr. 1 Gelombang tegangan dan arus yang terdistorsi [9]

Ada dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonik, yakni standar harmonik arus dan standar harmonik tegangan. Standar harmonik arus ditentukan dari perbandingan arus hubung singkat pada Point of Common Coupling terhadap arus beban. Standar harmonik tegangan ditentukan besarnya tegangan sistem yang terpasang [10].

Tabel 1. Standar Harmonik untuk Distorsi Arus IHD (%) h< 11

11≤ h <17

17 ≤ h < 23

23 ≤ h < 35

35 ≤ h

THD (%)

< 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

Isc/IL


Tabel 2. Standar Harmonik untuk Distorsi Tegangan Tegangan pada PCC, Vn (kV)

IHD-v (%)

THD-v (%)

Vn ≤ 69

3.0

5.0

69 < Vn ≤ 161

1.5

2.5

Vn > 161

1.0

1.5

Harmonik disebabkan oleh adanya beban non-linier yang berupa perangkat switching dari bahan semikonduktor dan beban dari bahan magnetis yang dapat mengalami saturasi. Contohnya antara lain lampu fluorescent, adjustable speed drives, Personal Computer, konverter daya, Uninterruptible Power Supply (UPS), transformator dan motor, dan lain-lain. Adanya distorsi harmonik menyebabkan sistem beroperasi pada kondisi nonsinusoidal. Pada kondisi nonsinusoidal, perubahan tegangan dan arus rmsnya adalah sebagai berikut: !!"# = !!"# =

! ! ! !

! !!! + !!! + !!! + ⋯ + !! !"# (1) ! !!! + !!! + !!! +. . . +!! !"# (2)

dimana indeks 1 menyatakan komponen frekuensi dasar dan sisanya merupakan komponen frekuensi harmonik. Mengalirnya arus harmonik pada lilitan transformator mengakibatkan penambahan rugi I2R dan arus eddy, sehingga terjadi pemanasan berlebih dan derating [9]. Distorsi harmonik pada motor menyebabkan perputaran dengan frekuensi yang berbeda dengan frekuensi sinkronnya [11]. Arus yang mengalir pada kabel meningkatkan resistansi kabel seiring frekuensi akibat fenomena skin effect [9]. Arus harmonik yang mengalir menuju kapasitor bank menyebabkan terjadinya overload [9]. Sekering dan relay proteksi dapat mengalami kesalahan operasi ketika terganggu oleh keberadaan arus harmonik [9]. Arus harmonik juga mengganggu keakuratan dari pengukuran energi listrik. Daya yang terukur akan lebih besar daripada yang sebenarnya digunakan oleh beban, akibatnya pelanggan harus membayar biaya tambahan [11]. Salah satu cara untuk meminimalisasi harmonik adalah dengan meningkatkan teknologi peralatan, misal dengan meningkatkan penggunaan konverter 6 pulsa menjadi 12 pulsa [9]. Penghilangan arus harmonik dapat dilakukan dengan transformator pergeseran fasa terkoneksi zigzag. Transformator zigzag bertindak seperti filter bagi arus triplen harmonik dengan menyediakan jalur impedansi rendah ke netral. Transformator ini mencegah arus yang


mengalir di netral kembali lagi ke sumber. Filter juga dapat digunakan untuk menyaring komponen-komponen harmonik agar keluar dari sistem. Berdasarkan prinsip kerjanya, filter diklasifikasikan menjadi filter aktif dan filter pasif. Filter aktif meminimalisasi arus harmonik dengan cara membentuk arus kompensasi untuk melengkapi bagian sinusoidal yang hilang pada arus harmonik yang dihasilkan oleh beban. Filter pasif meminimalisasi arus harmonik dengan cara menyediakan jalur impedansi rendah antara beban non-linier dengan filter. Tujuannya agar arus harmonik dengan frekuensi tertentu yang dihasilkan beban mengalir melalui filter untuk ditanahkan, sehingga tidak menganggu sistem. Perancangan Filter A. Single-Tuned Passive Filter Single-tuned filter merupakan jenis filter yang sering digunakan. Komponen L dan C pada filter ini disetel agar beresonansi pada frekuensi harmonik tertentu, sehingga arus frekuensi harmonik dari beban non-linier mengalir ke filter, tidak mengalir ke sistem. Komponen L dan C yang beresonansi akan menciptakan impedansi rendah pada filter sehingga arus harmonik hanya bersirkulasi antara beban dan filter dan tidak menganggu keseluruhan sistem.

Gbr. 2 Rangkaian dan karakteristik impedansi pada single-tuned filter

Frekuensi tuning adalah frekuensi yang disetel agar filter beresonansi. Term

lain

yang

penting dalam desain filter ini adalah quality factor (Q). Quality factor menentukan ketajaman tuning. Nilai Q bergantung dari besarnya resistansi filter, jika menginginkan Q tinggi, maka R harus kecil [6]. Selektivitas frekuensi filter tergantung Q. Q yang tinggi memberikan bandwidth yang rendah sehingga dapat memilih frekuensi secara presisi. Filter ini lebih sederhana, memiliki keandalan dan efisiensi tinggi, serta harga yang umumnya murah [1]. Tetapi kerugiannya adalah kemungkinan terjadi resonansi antara filter


dengan sistem yang memperburuk kondisi. Frekuensi tuning juga tidak dapat diubah karena komponen pasif yang digunakan bernilai tetap. B. Perhitungan Perancangan Untuk merancang filter, perlu diketahui beberapa parameter terkait sistem tersebut, antara lain: •

Kapasitas beban terpasang (dalam kVA).

•

Tegangan pada bus penyuplai beban (dalam kV)

•

Orde harmonik dominan dan besar IHDnya.

•

Faktor daya semula dan faktor daya yang diinginkan.

•

Kapasitas dan impedansi transformator penyuplai.

•

Distorsi tegangan pada sisi sekunder transformator saat no load.

Berdasarkan [11], prosedur yang harus dilakukan dalam perancangan filter ini antara lain: 1) Memilih frekuensi tuning: Frekuensi tuning dipilih berdasarkan IHD dominan. Nilai tuning factor tidak boleh tepat pada frekuensi yang dominan untuk menghindari terjadi hubung singkat pada filter. 2) Menghitung ukuran kapasitor bank: Daya reaktif yang harus dikompensasi oleh filter agar menghasilkan faktor daya yang diinginkan adalah: !! = ! !"#(!"# !! !"!"!# ) − ! !"#(!"# !! !"!"#$% ) (3) ! !"#$ =

!" ! (!""") !!"#$

(4)

Dimana Xfilt adalah selisih antara reaktansi kapasitif dan reaktansi induktif pada frekuensi dasar. ! !"#$ = ! !"#$ − ! ! (5) Diketahui !!"#! = ℎ! !! , sehingga ! !"#$ =

! !"#$ !! !! !!

(6)

Daya reaktif yang harus dihasilkan oleh kapasitornya menjadi sebesar: !"#$ =

!" ! (!""") ! !"#$

(7)

3) Menghitung ukuran reaktor filter: Ukuran reaktor filter dipilih untuk mentuning kapasitor ke frekuensi yang diinginkan. !! =

! !"# !!

(8)


Langkah selanjutnya adalah evaluasi dari kerja filter. Ada tiga bagian dari perhitungan evaluasi filter. 4) Perhitungan kerja fundamental: Parameter yang harus dievaluasi antara lain impedansi, arus, tegangan, dan kapasitas kapasitor. • Impedansi fundamental ! !"#$ = ! ! − ! !"# (9) • Arus fundamental !!"#$ =

!"/ ! ! !"#$

(10)

• Tegangan kapasitor pada frekuensi dasar !!!!,!"# (!"#$) = ! ! !!"#$ ! ! !"# (11) • Rating kapasitor !"#$!"#$ = ! ! !!"#$ ! !" (12) 5) Perhitungan kerja harmonik: Parameter yang harus dievaluasi adalah arus total dan tegangan kapasitor. • Arus harmonik total !!(!"!#$) = !!(!"#) + !!(!"#$#"%) (13) • Tegangan kapasitor !!"# (!!!,!"#!!"#$) = ! ! !! (!"!#$) !

! !"# !

(14)

6) Evaluasi arus rms dan tegangan puncak: dilakukan dengan menghitung total arus yang melalui filter, tegangan puncak kapasitor, tegangan rms kapasitor, dan kvar kapasitor. • Total arus rms yang melalui filter !!"#,!"!#$ =

! !!"#$ + !!! (15)

Arus maksimumnya adalah 2 dari arus rms. • Tegangan puncak yang melewati kapasitor !!!!,!"# (!"#,!"#$) = !!!!,!"# (!"#$) + !!"# (!!!,!"#!!"#$) (16) • Tegangan rms pada kapasitor !!!!,!"# (!"#,!"!) =

! ! !!!!,!"# (!"#$) + !!"# (!!!,!"#!!"#$ (17)

• KVAR total yang dilihat oleh kapasitor !"#$!"#,!"!#$ = ! !!"#,!"!#$ ! !"!!!,!"# (!"#,!"!#$) (18)


7) Menghitung resistansi filter !=

!! ! !

(19)

8) Evaluasi respon frekuensi filter: Respon frekuensi filter perlu dievaluasikan untuk memastikan bahwa filter tidak menghasilkan resonansi pada frekuensi yang dapat menyebabkan masalah tambahan. Resonansi paralel dengan rancangan filter seperti ini terjadi pada orde harmonik: !! =

! !"#

(20)

! !(!"#$) !! ! (!"#$)

9) Evaluasi batas kerja filter: dilakukan untuk memeriksa apakah unjuk kerja filter yang didesain melebihi batas yang disyaratkan atau tidak.

Tabel 3. Definisi dan batas unjuk kerja filter

Unjuk kerja

Definisi

Tegangan puncak

!!!!,!"# (!"#,!"#$) !"!"#$% !!!!,!"# (!"#,!"!#$) !"!"#$% !!"#,!"!#$ !!"#,!"#$% !"#$!"#,!"!#$ !"#$ !"#

%$Tegangan rms Arus rms KVAR

Batas (%) 120.00 110.00 180.00 135.00

Gbr. 3 Diagram alir optimasi reduksi harmonik dengan single-tuned filter


Hasil Simulasi dan Analisa A. Kondisi Harmonik Sistem Gambar 4 menampilkan diagram satu garis sistem tenaga listrik yang disimulasikan, yang merupakan modifikasi dari [12].

Gbr. 4 Diagram satu garis sistem tenaga listrik

Beban non-linier menginjeksikan arus harmonik ke dalam sistem. Arus harmonik ini menyebabkan terdistorsinya tegangan pada bus1 dan bus2. Tabel IV dan Tabel V menyajikan profil harmonik pada tiap bus. Warna merah menunjukkan kondisi IHD yang melebihi standar.

Tabel 4. Perbandingan Level Harmonik pada Bus1 terhadap Standar

h 5 7 11 13

Arus ukur 19.25 6.19 6.19 4.11

tegangan standar ukur standar 7 6.42 3 7 2.89 3 3.5 4.49 3 3.5 3.53 3


17 19 23 25 THD

3.42 2.73 2.07 2.07 22.18

2.5 2.5 1 1 8

4.01 3.53 3.37 3.69 11.65

3 3 3 3 5

Tabel 5. Perbandingan Level Harmonik pada Bus2 terhadap Standar

arus ukur 5 6.50 7 2.09 11 2.11 13 1.41 17 1.19 19 0.96 23 0.73 25 0.74 THD 7.52 h

tegangan standar ukur standar 7 5 3 7 2.5 3 3.5 5 3 3.5 2.5 3 2.5 2.5 3 2.5 2.5 3 1 2.5 3 1 2.5 3 8 9.94 5

Kedua tabel diatas menunjukkan bahwa mengalami distorsi harmonik tegangan dan arus pada bus1 telah melebihi standar. Pada bus2, terindikasi distorsi tegangan telah melebihi standar, sedangkan distorsi arusnya masih sesuai standar. Perlu dilakukan upaya reduksi harmonik dengan pemasangan filter pasif. Filter pasif akan dipasang pada bus1 sebagai node dari arus harmonik yang diinjeksikan beban non-linier. B. Perancangan Single-Tuned Passive Filter Jenis filter pasif yang digunakan pada sistem ini adalah single-tuned passive filter. Dari Tabel IV diketahui bahwa orde harmonik yang paling dominan adalah orde kelima. Maka dari itu filter akan dituning di sekitar orde kelima. Nilai tuning factor divariasikan sampai ±0.5 orde kelima, yakni orde ke 4.5, ke 4.7, ke 4.9, ke 5.1, ke 5.3, dan ke 5.5 dengan variasi quality factor 1 hingga 80. Kapasitas beban sebesar 3128 kVA. Kapasitas transformator penyuplai trafo1 sebesar 4 MVA dengan impedansi 7%. Total arus harmonik kelima yang dihasilkan beban adalah 19.25%. Faktor daya yang diinginkan 0.995. Nilai distorsi tegangan pada sisi sekunder transformator saat no load bernilai 0%.


C. Variasi Tuning Factor 1) Parameter dan Lokasi Pemasangan Filter: Parameter filter dengan variasi tuning factor ditunjukkan pada Tabel VI dan lokasi pemasangan filter ditunjukkan pada Gambar 5.

Tabel 6. Parameter Filter dengan Variasi Tuning Factor Orde Kelima

Tuning KVAR C rated kV max kV Xl L Imax Q R R

4.5 1200 6.3 7.26 1.633 181.3 50 0.147

4.7 1200 6.3 7.23 1.497 180.6 50 0.141

4.9 1200 6.3 7.21 1.378 180.1 50 0.135

5.1 1200 6.3 7.18 1.272 179.6 50 0.130

5.3 1200 6.3 7.16 1.177 179.2 50 0.125

5.5 1200 6.3 7.15 1.093 178.8 50 0.120

Gbr. 5 Lokasi pemasangan single-tuned filter pada bus1

2) Kondisi Harmonik Sistem dengan Variasi Tuning Factor: Kondisi harmonik yang diamati adalah pada bus1. Gambar 6 menunjukkan bahwa masing-masing filter berhasil menekan harmonik dengan besar reduksi THD-i diatas 10% dan THD-v diatas 4%. Reduksi terendah didapatkan pada pemasangan filter dengan tuning factor 4.5 dan 5.5 dan reduksi tertinggi didapatkan pada pemasangan filter dengan tuning factor 5.1. Gambar 7 menunjukkan kondisi IHD-i pada tuning factor 5.1


reduksi

16 14 12 10 8 6 4 2 0

THD-‐i THD-‐v

4.5

4.7

4.9

5.1

5.3

5.5

tuning factor

Gbr. 6 Besar reduksi THD-i dan THD-v pada variasi tuning factor

8.00 7.00

IHD-‐I (%)

6.00 5.00

IHD-‐i

4.00 3.00

IHD-‐ standar

2.00 1.00 0.00 5

7

11 13 17 19 23 25 orde harmonik

Gbr. 7 Perbandingan IHD-i hasil filtering dengan IHD-i standar (h=5.1)

Gambar 8 dan Gambar 9 membandingkan nilai THD saat tanpa filter dan saat menggunakan filter dengan variasi tuning factor, terhadap standarnya. Dari kedua gambar tersebut yang memenuhi standar IEEE untuk THD-i adalah filter dengan tuning factor 4.9 dan 5.1, sedangkan untuk THD-v berada di luar standar pada seluruh variasi tuning factor. THD-i telah sesuai standar dengan tuning factor filter sebesar 4.9 dan 5.1 dan reduksi tertinggi dicapai oleh saat tuning factor 5.1. Ini menunjukkan bahwa nilai tuning factor yang optimal diperoleh dengan pergeseran +0.1 dari orde harmonik dominannya.


25 20 %THD-‐i

15 %THD-‐i

10

%THD-‐I standar

5 0 tanpa 4.5 ﬁlter

4.7

4.9

5.1

5.3

5.5

tuning factor

Gbr. 8 Perbandingan % THD-i terhadap %THD-i standar

14 12 %THD-‐v

10 8

%THD-‐v

6

%THD-‐v standar

4 2 0 tanpa 4.5 ﬁlter

4.7

4.9

5.1

5.3

5.5

tuning factor

Gbr. 9 Perbandingan % THD-v terhadap %THD-v standar

Akan tetapi, nilai IHD yang dihasilkan pada filter ini masih melebihi standar pada orde ke 11, 23, dan 25. Karena orde harmonik dominan selain orde kelima adalah orde ke 11, maka akan dirancang juga filter dengan tuning factor 11+0.1 untuk melengkapi filter tuning factor 5.1. Urutan pemasangan filter dengan tuning factor dari orde dominan yang paling rendah akan mempengaruhi kondisi harmonik pada orde-orde berikutnya. 3) Parameter Filter 5.1 Dan 11.1: Kapasitas beban akan dibagi dua untuk masing-masing filter. Perbandingan IHD dalam kondisi tanpa filter antara orde kelima dengan orde kesebelas 19.25% : 6.19% atau sekitar 3 :1. Sehingga kompensasi daya reaktif ditanggung sebesar 914.074 kvar pada filter 5.1 dan 304.69 kvar pada filter 11.1.

Tabel 7. Parameter Dua Buah Single-Tuned Filter

tuning 5.1 KVAR 900 C rated kV 6.3

11.1 300 6.3


L R

max kV Xl Imax Q R

7.18 1.696 134.7 50 0.173

6.44 1.074 39.7 50 0.238

Gbr. 10 Lokasi pemasangan 2 buah single-tuned filter

4) Kondisi Harmonik Sistem dengan 2 Single-Tuned Filter: Kondisi harmonik pada sistem setelah dipasang dua filter ditunjukkan pada Gambar 11. Reduksi THD-i sebesar 16.11%, dan reduksi THD-v sebesar 8.11%. Kondisi IHD-i pada bus1 telah sesuai standar. Orde harmonik 5 dan 11 yang dominan berhasil direduksi dengan baik. IHD pada orde 7 bernilai tinggi disebabkan adanya resonansi paralel. Resonansi paralel terjadi pada orde 3.78 dan orde 7.33. Resonansi paralel di orde 3.78 tidak terlalu mempengaruhi kondisi harmonik. Resonansi pada orde 7.33 menyebabkan impedansi yang tinggi di filter sehingga arus harmonik orde 7 tidak mengalir melalui filter dan tetap bersirkulasi di sistem. Namun efek yang ditimbulkan resonansi paralel ini tidak melebihi standar yang diizinkan. Dari hasil ini dapat dikatakan bahwa tuning factor yang optimal adalah +0.1 dari frekuensi harmonik dominannya dan penggunaan dua single-tuned filter untuk menekan dua komponen harmonik dominan menunjukkan hasil yang lebih baik dibandingkan hanya dengan menggunakan satu filter.


IHD-‐I (%)

8 7 6 5 4 3 2 1 0

IHD-‐i IHD-‐ standar

5

7

11 13 17 19 orde harmonik

23

25

Gbr. 11 Grafik IHD-i pada filter dengan tuning factor 5.1 dan 11.1

D. Variasi Quality Factor Quality factor menentukan ketajaman tuning. Semakin tajam tuning, semakin selektif filter dalam melewatkan arus harmoniknya dan semakin bagus filter tersebut menekan orde harmonik yang diinginkan. Gambar 12 menunjukkan variasi quality factor yang mempengaruhi besar impedansi dalam domain frekuensi. Pada saat quality factor bernilai 1 dan 2, respon impedansinya konstan pada seluruh orde harmonik. Impedansi mulai rendah pada orde ke 5.1 di quality factor 20. Tingkat impedansi paling tajam, rendah dan cenderung konstan ketika nilai quality factor berada di rentang 60 hingga 80, sehingga bisa dipilih quality factor dari rentang nilai ini. Saat diimplementasikan filter dengan tuning factor 5.1 dan 11.1, serta quality factor 60, didapatkan bentuk gelombang untuk tegangan dan arus menjadi lebih baik. Gelombang tegangan dan arus sesudah difilter menjadi lebih baik dibandingkan sebelum difilter, terlihat pada Gambar 13 dan Gambar 14. 3.5 3 impedansi (ohm)

2.5 2 1.5 1 0.5 0 4.8

4.9

5

5.1

5.2

5.3

5.4

orde harmonik 1

2

3

4

5

10

20

30

40

50

60

70

80

Gbr. 12 Nilai impedansi dengan variasi quality factor


Gbr. 13 Gelombang tegangan sebelum difilter (merah) dan setelah difilter (biru)

Gbr. 14 Gelombang arus sebelum difilter (merah) dan setelah difilter (biru)

E. Verifikasi Kerja Filter terhadap Performa Transformator Keberadaan harmonisa pada sistem akan menganggu performa komponen yang ada di sistem tersebut, salah satunya transformator. Efek harmonik pada transformator adalah peningkatan rugi-rugi dan terjadinya derating. Derating berarti menurunkan kemampuan transformator untuk menyuplai beban. Hal ini disebabkan karena transformator harus menanggung arus rms yang meningkat. Pembebanan pada transformator sebesar 81%. Pemasangan filter dengan spesifikasi 2 buah single-tuned filter tuning factor 5.1 dan 11.1, serta quality factor 60, menurunkan pembebanan menjadi 69.6%. Dengan pemasangan filter, kemampuan transformator untuk menyuplai beban menjadi lebih baik. Pemanasan berlebih pada transformator terkait rugi-rugi I2R dan arus eddy juga akan menurun.


Kesimpulan Tabel 8. Perbandingan Reduksi Harmonik Jumlah filter 1 buah 2 buah

Tuning factor 5.1 5.1 dan 11.1

Reduksi THD-i 14.96% 16.11%

Reduksi THD-v 6.09% 8.11%

Kondisi harmonik Diluar standar Sesuai standar

Penggunaan dua buah single-tuned filter akan menghasilkan reduksi distorsi harmonik dan keandalan yang lebih tinggi dibandingkan dengan penggunaan satu buah filter. Tuning factor filter yang dimulai dari orde harmonik dominan paling rendah akan mempengaruhi kondisi harmonik pada orde-orde berikutnya. Nilai quality factor yang sesuai untuk sistem ini sebesar 60-80. Dengan pemasangan 2 buah single-tuned filter dengan tuning factor 5.1 dan 11.1, pembebanan pada transformator penyuplai turun dari 81% menjadi 69.6%. Kemampuan transformator untuk menyuplai beban menjadi lebih baik, juga pemanasan lebih akibat rugi-rugi I2R dan arus eddy akan menurun.

Daftar Acuan Erwin Normanyo, “Mitigation of Harmonics in a Three-Phase, Four-Wire Distribution System using a System of Shunt Passive Filters,” International Journal of Engineering and Technology, Volume 2 No. 5, May, 2012. [2] Indra Firmansyah Koswara, “Analisis Pengaruh Harmonik pada Transformator daya di Industri Semen,” Skripsi. Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok, Januari 2010. [3] Candra Agusman, “Analisis Perhitungan Rugi-Rugi Daya Transformator karena Harmonik,” Skripsi. Program Sarjana Ekstensi Fakultas Teknik UI, Depok, Januari 2011. [4] D.M. Said and K.M. Nor., “Effects of Harmonics on Distribution Transformers,” Australasian Universities Power Engineering Conference (AUPEC) 2008. [5] Bestion Alzari, “Rancang Bangun Single Tuned Filter sebagai Alat Pereduksi Harmonik untuk Karakteristik Beban Rumah Tangga 2200 VA,” Skripsi. Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok, 2011. [6] Young-Sik Cho & Hanju Cha, “Single-tuned Passive Harmonic Filter Design Considering Variances of Tuning and Quality Factors,” Journal of International Council on Electrical Engineering, 1:1, 7-13 2014. [7] IEEE Recommended and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, IEEE Standard 519-1992 [8] G.Suresh Babu, U.K.Choudhury, and G.Tulasi Ramdas, “A Novel Approach in the Design of Optimal Tuning Frequency of a Single Tuned Harmonic Filter for an Alternator with Rectifier Loads,” Journal of Theoretical and Applied Information Technology (JATIT), . © 2005 - 2010. [9] Power Quality, C. Sankaran, CRC Press LLC. Boca Raton, Florida. 2002. [10] Alexandre B. Nassif and Wilsun Xu, “Passive Harmonic Filter for Medium-Voltage Industrial System: Practical Considerations and Topology Analysis,” 39th North American Power Symposium (NAPS) 2007. [11] Roger C. Dugan, Mark. F. McGranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Beaty, “Electrical Power System Quality,” The McGraw-Hill Companies 2004. Downloaded from Digital Engineering Library @ McGrawHill (www.digitalengineeringlibrary.com) [12] Single Line Diagram Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Kamojang, PT. Indonesia Power Unit Bisnis Pembangkitan Kamojang. [1]


Variasi Tuning dan Quality Factor pada Perancangan Single-Tuned Passive Filter untuk Optimasi Reduksi Distorsi Harmonik

Recommend Documents