PENYEMPURNAAN DESAIN FILTER HARMONISA MENGGUNAKAN KAPASITOR EKSISTING PADA PABRIK SODA KAUSTIK DI SERANG - BANTEN

Transkripsi

1 PENYEMPURNAAN DESAIN FILTER HARMONISA MENGGUNAKAN KAPASITOR EKSISTING PADA PABRIK SODA KAUSTIK DI SERANG - BANTEN Margo Pujiantara Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh November Kampus ITS, Keputih Sukolilo, Surabaya- Abstrak Pada sistem tenaga listrik A tiga fasa yang ideal, daya listrik disalurkan dengan frekwensi tunggal Hz dan masing-masing line berbeda fasa o. Dengan adanya pembebanan yang non linear pada sistem tenaga listrik maka dapat terjadi distorsi harmonisa dan ketidakseimbangan sistem. Hal ini mengakibatkan turunnya kwalitas sistem tenaga listrik. Salah satu metode untuk memperbaikinya adalah dengan menggunakan filter pasif. Filter pasif yang digunakan dalam paper ini adalah orde dua. Pada paper ini penalaan dilakukan pada frekwensi Hz dan Hz menggunakan kapasitor eksisting (tanpa menambah kapasitor). Filter ini diharapkan dapat menurunkan harmonisa pada frekwensi ke- dan ke- yang timbul akibat beban konverter pulsa. Kata Kunci harmonisa, resonansi, damped filter. PENDAHULUAN Harmonisa adalah cacat gelombang yang disebabkan oleh interaksi antara gelombang sinusoidal sistem dengan komponen gelombang lain yang mempunyai frekwensi kelipatan integer dari komponen fundamentalnya. Penyebab harmonisa ini ialah adanya beban nonlinear seperti konverter, tanur busur listrik, UPS dll.tidak sinusoidal. Kerugian akibat pengaruh harmonisa seperti pemanasan pada peralatan, penurunan faktor daya, masalah resonansi dll. Untuk meningkatkan kwalitas sistem tenaga listrik maka distorsi harmonisa harus ditekan seminimalnya. Salah satu caranya adalah dengan menggunakan filter harmonisa. Filter harmonisa selain dapat mereduksi distorsi harmonisa juga dapat berfungsi sebagai kompensator reaktif pada frekwensi fundamental. Beban utama sistem kelistrikan pada perusahaan penghasil soda kaustik yang diamati ialah konverter pulsa yang dipergunakan untuk suplai proses elektrolisis. Akibat dari beban konverter pulsa tersebut harmonisa orde ke- dan ke- cukup tinggi sehingga perlu untuk dikurangi. Tujuan dari paper ini ialah mereduksi harmonisa orde ke- dan ke- tanpa manambah kapasitor. Dalam paper ini dibahas metode untuk mandesain filter harmonisa dengan damper sehingga dapat menurunkan individual harmonic sampai kurang dari % dan mengoptimalkan kondisi eksisting.. HARMONISA DAN FILTER.. Pengertian Harmonisa Pada sistem tenaga listrik ac ideal, energi listrik disalurkan dalam frekuensi tunggal yang konstan dan pada level tegangan yang konstan pula. Tetapi dengan perkembangan beban listrik yang semakin besar dan komplek, terutama penggunaan beban-beban tak linier, akan menimbulkan perubahan pada bentuk gelombangnya. acat gelombang yang disebabkan oleh interaksi antara bentuk gelombang sinusoidal sistem dengan komponen gelombang lain lebih dikenal dengan harmonisa, yaitu komponen gelombang lain yang mempunyai frekuensi kelipatan integer dari komponen fundamentalnya seperti ditunjukkan pada gambar. Gambar. Bentuk gelombang harmonisa.. Sumber Sumber Harmonisa Dalam sistem tenaga listrik A sumbersumber harmonisa dapat berasal dari pemakaian beban-beban tak linier seperti Konverter Tanur busur listrik Lampu Florence JAVA Journal of Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct, ISSN -

2 Selain itu pada beban linier seperti transformator dan motor-motor induksi juga dapat membangkitkan harmonisa pada jaringan. Tetapi harmonisa yang dibangkitkan cukup kecil jika dibandingkan dengan menggunakan beban-beban tak linier... Distorsi Harmonisa 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 k U n THD U x% Dimana Un komponen harmonisa U komponen fundamental k komponen harmonisa maksimum yang diamati Perhitungan tersebut tidak sama untuk setiap negara tergantung standar yang dipakai. Dalam paper ini diberikan standar dari IEEE Std. - seperti pada tabel. Bus Voltage at P Tabel. Limit distorsi tegangan Individual Voltage Distortion (%) THD (%) kv and below,,, kv through,, kv, kv and above,,.. Filter Harmonisa High Pass Filter orde dua diperlihatkan pada gambar yang terdiri atas resistansi yang diparalel dengan induktor/ reaktor dan diseri dengan kapasitor. Impedansi rangkaian R. jωl Z + jω R + jωl R. jωl R jωl + x jω R + jωl R jωl jr ωl ω RL + + jω R + ω L R + ω L ω RL R ωl + j R + L ω R + ω L ω Pada saat resonansi bagian imajiner sehingga R ωl R + ω L ω R ω L R + ω L Sehingga ω L R ω L + R () aω ; b-r ω ; cr b ± L L R b ac a R ω ± L ( R ω ) ω R ω R ω ± R ω ω R L ω Agar terdapat nilai L maka dibawah akar harus, sehingga R ω ω R R ω Impedansi R Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Dengan penambahan filter harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumbersumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa ke seluruh jaringan dapat ditekan sekecil mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem... Perencanaan High Pass Filter Damped Orde Dua Frekuensi, f Gambar. High Pass Filter orde dua []. (a) Gambar rangkaian (b) Kurva impedansi fungsi frekwensi. SISTEM KELISTRIKAN EKSISTING Sistem kelistrikan eksisting disuplai dari PLN dengan tegangan KV dan kapasitas daya terpasang dari PLN adalah, MVA. Tegangan kv tersebut diturunkan menjadi kv oleh trafo utama yang berkapasitas MVA. JAVA Journal of Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct, ISSN -

3 Beban utama pabrik adalah rectifier yang dipakai untuk elektrolisa. Adapun rectifier tersebut adalah rectifier pulsa dan pulsa, sehingga distorsi harmonisa yang dominan adalah harmonisa ke,, dan.. HARMONISA DAN PENYEMPURNAAN DESAIN FILTER.. Simulasi Pada Kondisi Eksisting Beban % Asumsi yang dipakai dalam simulasi ini adalah sumber kelistrikan PLN yang merupakan swing bus yang tidak terpengaruh perubahan diluar sistem kelistrikannya. Tabel. Hasil Simulasi Aliran Daya pada kondisi eksisting SUMMARY OF TOTAL GENERATION, LOADING & DEMAND Study MW MVar MVA % PF Swing Bus (es).... Generator.... Total Demand.... Total Motor.... Total Static. -. Apparent Loss.. atatan Tabel diatas adalah output Flow Report dari Software ETAP Dari simulasi harmonisa dengan Software ETAP maka diperoleh tingkat distorsi harmonisa pada kondisi eksisting yang terlihat pada tabel. Tabel.Tingkat distorsi harmonisa eksisting pada bus utama Bus ID Rate d kv Voltage Distortion Fund RMS(%) THD(%) (%).. Bus,,, Main Sub,,, New,,, onversion L,,, Rsectifier,,, Rectifier,,, Rectifier,,, Rectifier,,, Turbo omp.,,, ap. Mvar,,, ap. Mvar,,, Pada kondisi eksisting, distorsi tegangan busbus utama sistem masih dibawah standar IEEE - (Vthd < %) kecuali pada bus sumber harmonisa. Dalam plot dibawah ini ditampilkan plot spektrum pada saatpengukuran dan simulasi pada bus mainsubstation. Harmonisa Gambar. Spektrum harmonisa di main substation dari hasil pengukuran, Harmonisa Gambar. Spektrum harmonisa di main substation dari hasilsimulasi Dari gambar di atas terlihat bahwa hasil simulasi sama dengan hasil pengukuran saat eksisting (beban %)... Simulasi Kondisi Eksisting Beban % Berdasarkan sistim saat pengukuran yang bebannya hanya %, maka sistem dapat dikembangkan ke pembebanan %. Pada kondisi tersebut daya yang diambil dari PLN sebesar, MW. Hasil simulasinya dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel. Hasil simulasi aliran daya eksisting beban penuh SUMMARY OF TOTAL GENERATION, LOADING & DEMAND Study MW Mvar MVA % PF Swing Bus (es),,,, Generator,,,, Total Demand,,,, Total Motor,,,, Total Static, -, Apparent Loss,, atatan Tabel diatas adalah output Flow Report dari Software ETAP JAVA Journal of Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct, ISSN -

4 Tingkat distorsi harmonisa diperoleh dengan melakukan simulasi Software ETAP (Harmonic Analysis) dan hasilnya dapat dilihat pada tabel sebagai berikut Voltage spectrum (%) Tabel. Tingkat distorsi harmonisa dengan pembebanan % pada bus-bus utama Bus ID Rate d kv Voltage Distortion Fund (%) RMS(%) THD(%) Bus PLN,,, Bus,,, Main Sub,,, New onversion,,, L,,, Rectifier,,, Rectifier,,, Rectifier,,, Rectifier,,, Turbo omp.,,, ap. Mvar,,, ap. Mvar,,, Dari tabel di atas terlihat bahwa total harmmonic distortion masih di bawah ambang batas []. Gambar. Plot impedansi bus KV pada pembebanan % Harmonic orde Gambar. Spektrum tegangan bus PLN eksisting pada pembebanan % Dari gambar di atas menunjukkan bahwa harmonisa ke dan melampaui ambang batas (%) [,], sehingga perlu dirancang filter untuk mereduksi harmonisa tersebut... Perencanaan Filter Harmonisa Untuk mendapatkan kualitas tegangan yang lebih baik maka filter penalaan tunggal pada bus mainsub akan dimodifikasi menjadi filter harmonisa karena terjadi resonansi pada bus-bus tersebut dan distorsi tegangan yang melebihi standar. Jenis filter yang digunakan adalah high pass filter. Sebuah high pass filter adalah rangkaian resistor dan induktansi yang diparalel dan diseri dengan kapasitor. Pada frekuensi penalaan yang telah ditetapkan, rangkaian ini menghasilkan impedansi minimal sehingga menjadi jalan bagi arus-arus harmonisa pada frekuensi penalaan dan arus-arus harmonisa pada frekuensi diatas frekuensi penalaan yang ada di jaringan. Sehingga akan memperbaiki plot impedansi jaringan dan menurunkan tingkat distorsi harmonisa dibawah standar IEEE - (V THD < %). Perbandingan nilai filter, F x MVar, MVar MVar., F x MVar, MVar MVar, Perhitungan Filter a) Filter F / Hz / kvar di Main Sub Perencanaan filter F menggunakan jenis high pass filter orde dua. Nilai komponen kapassitor, resistor dan induktor dapat dihitung sebagai berikut Nilai kapasitor dihitung berdasarkan daya reaktif yang dibutuhkan. Dari perhitungan sebelumnya dibutuhkan daya reaktif sebesar kvar pada tegangan kv. kvar π f V - dengan kapasitansi dalam micro farad (uf) f frekuensi sistem (Hz) V tegangan jala-jala (Volt) Nilai komponen kapasitor, resistor dan induktor dapat dihitung sebagai berikut. π..( ) Induktor Frekuensi resonansi f Hz sehingga nilai induktor dapat dihitung sebagai berikut L ω ( x. x) -.. Resistor Sedangkan untuk mencari resistor dapat digunakan persamaan μf. mh JAVA Journal of Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct, ISSN -

5 R. ω. ( x.x) Spesifikasi yang lebih lengkap adalah sebagai berikut Spesifikasi Kapasitas kapasitor, μf Arus kapasitor pada tegangan sistem dan frekuensi fundamental Q VLL I sinφ dimana sin φ.. I, A A Tegangan kapasitor pada tegangan base system V V (. π.. ) - I. X,, Vφ. Vφ Spesifikasi Induktor / Reactor Induktansi nominal, mh Arus nominal filter, A Arus nominal diperoleh dari simulasi ircuit Maker. Spesifikasi Resistor Resistansi nominal, Ohm Rating daya resistor, W Rating daya diperoleh dari simulasi ircuit Maker b) Filter F / Hz / kvar di Main Sub. Perencanaan filter F menggunakan jenis high pass filter orde dua. Nilai komponen kapasitor, resistor dan induktor dapat dihitung sebagai berikut Resistor Ω Sedangkan untuk mencari resistor dapat digunakan persamaan R. Ω - ω.. ( x.x) Spesifikasi yang lebih lengkap adalah sebagai berikut Spesifikasi Kapasitas kapasitor, uf Arus kapasitor pada tegangan sistem dan frekuensi fundamental Q VLL I sin φ dimana sin φ.. I, A A Tegangan kapasitor pada tegangan base system V V (. π... ) - I. X. Vφ. Vφ Spesifikasi Induktor / Reactor Induktansi nominal, mh Arus nominal filter, A Arus nominal diperoleh dari simulasi ircuit Maker. Spesifikasi Resistor Resistansi nominal, Ohm Rating daya resistor, W Rating daya diperoleh dari simulasi ircuit Maker Setelah semua parameter dihitung, maka hasil filter yang direncanakan dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Reactor, mh Damping Resistor, Ohm Reactor, mh Damping Resistor, Ohm Nilai kapasitor dihitung berdasarkan daya reaktif yang dibutuhkan. Dari perhitungan sebelumnya dibutuhkan daya reaktif sebesar Kvar pada tegangan kv. kvar π f V - Nilai komponen kapasitor, resistor dan induktor dapat dihitung sebagai berikut xπx x( ) x. μf Induktor Frekuensi resonansi f Hz sehingga nilai induktor dapat dihitung sebagai berikut L ω ( x. x) -.. a., µf b., µf Gambar. Filter yang direncanakan.. Simulasi dan Analisa Penyempurnaan Filter Harmonisa Sebelum melakukan simulasi dengan filter yang sudah dihitung, akan dibuat simulasi dengan kapasitor yang sudah dipecah terlebih dahulu. Dalam simulasi ini sistem dipasang dengan kapasitor yang dihitung sebelumnya berdasarkan perbandingan persen arus pada rectifiernya sehingga diperoleh kvar dan kvar. Hasil simulasinya dapat dilihat pada tabel dan., mh JAVA Journal of Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct, ISSN -

6 Tabel. Hasil Simulasi Aliran Daya setelah penyempurnaan filter harmonisa SUMMARY OF TOTAL GENERATION, LOADING & DEMAND Study MW Mvar MVA % PF Swing Bus (es),,,, Generator,,,, Total Demand,,,, Total Motor,,,, Total Static, -, Apparent Loss,, atatan Tabel diatas adalah output Flow Report dari Software ETAP Tabel. Tingkat distorsi harmonisa pada bus-bus utama setelah penyempurnaan filter harmonisa Bus ID Rated kv Voltage Distortion Fund (%) RMS(%) THD(%) Bus PLN,,, Bus,,, Main Sub,,, New onversion,,, L,,, Rectifier,,, Rectifier,,, Rectifier,,, Rectifier,,, Turbo omp.,,, ap. Mvar,,, ap. Mvar,,, Dari tabel di atas terlihat bahwa hasilnya menunjukkan perbaikan pada THD-nya. Plot Impedansi dan Spektrum Tegangan Bu-Bus utama Harmonic orde Gambar. Spektrum tegangan KV pada pembebanan % setelah pemasangan filter Gambar di atas menunjukkan bahwa terjadi perbaikan pada hamonisa tunggal utamanya harmonisa ke dan hingga di bawah ambang standar ( %).. KESIMPULAN Dari hasil perhitungan dan analisa yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut. Penggunaan filter L penalaan tunggal MVar yang ditala pada frekuensi Hz (berdasarkan data sekunder) dapat dioptimalkan menjadi damping filter yang ditala pada frekuensi ke- dan sehingga dapat menurunkan harmonisa individu yang ada pada bus utama seperti pada tabel berikut. Frekwensi ke- Frekwensi ke- Dari Ke Dari Ke Bus,,,, Bus PLN,,,, Data diatas diambil dari report harmonic loadflow Etap. Filter yang digunakan adalah High Pass Filter orde dua yang ditala pada frekuensi Hz dan frekuensi Hz di bus mainsubstation, karena terjadi resonansi pada frekuensi-frekuensi tersebut. High Pass Filter orde dua sebagai jalur yang dapat menyerap harmonisa pada frekuensi penalaan dan frekuensi diatas frekuensi penalaannya. Setelah pemasangan filter tersebut maka diperoleh perbaikan plot impedansi dan distorsi tegangan harmonisa yang rendah (V THD < %). Gambar. Plot impedansi bus KV pada pembebanan % setelah pemasangan filter JAVA Journal of Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct, ISSN -

7 . DAFTAR PUSTAKA. Arrilaga J, Power System Harmonic, John Wiley & Sons, New York,.. Dugan R., Electrical Power Systems Quality, McGraw-Hill, New York,.. Keskar P.Y, Spesification Of Variable Frequency Drive Systems To Meet The New IEEE Standard, IEEE Transaction On Industry Aplications, Vol. No. March/April.. Ned Mohan, Power Electronics, John Wiley & Sons, New York,.. Rashid M.H, Elektronika Daya, Jilid, PT. Prenhallindo, Jakarta,.. Stevenson W.D, Analisis Sistem Tenaga Listrik, edisi keempat, McGraw-Hill, London,.. W. Mielczarski, Quality of Electricity Supply & Management of Network Losses, Puma Press, Melbourne,.. BIODATA PENULIS Margo Pujiantara, lahir Maret di Pasuruan. Saat ini menjadi dosen di Jurusan Teknik Elektro ITS dalam bidang Industrial Electrical sejak tahun. JAVA Journal of Electrical and Electronics Engineering, Vol., No., Oct, ISSN -