METODA BARU PENGURANGAN ARUS HARMONISA PADA SISTEM DISTRIBUSI TENAGA LISTRIK DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung Oleh SYAFRUDIN NIM : 32295035 INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2001
ABSTRAK Beban-beban nonlinier, terutama peralatan peralatan listrik berbasis elektronik yang banyak terhubung pada sistem distribusi tenaga listrik telah menyebabkan arus jala jala sistem menjadi sangat terdistorsi, sehingga arus jala jala sistem banyak mengandung harmonisa. Tingginya tingkat kandungan arus harmonisa yang terdapat pada sistem distribusi tenaga listrik dapat menimbulkan berbagai macam persoalan pada sistem tersebut, antara lain adalah faktor daya sistem menjadi rendah, arus netral sistem meningkat dan dapat menimbulkan kegagalan instalasi meskipun dalam kondisi beban setimbang, rugi-rugi daya sistem bertambah, pemanasan lebih pada trafo dan generator, kesalahan opersai pada sistem proteksi, penyimpangan penunjukan pada alat ukur, kerusakan. pada komponen elektronik yang sensitif, interferensi kepada sistem telekomunikasi dan lain sebagainya. Untuk mengatasi berbagai persoalan yang ditimbulkan oleh adanya anus harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik, dapat dilakukan dengan cara menghilangkan atau mengurangi kandungan arus harmonisa pada sistem tersebut sampai memenuhi suatu standarisasi batasan harmonisa yang diijinkan. Dua standarisasi batasan harmonisa yang populer yaitu standarisasi IEC 555-2-1991 dan rekomendasi praktis IEEE-159-std 1994. Pada penelitian ini dipaparkan suatu metoda baru untuk mengurangi kandungan harmonisa arus jala jala pada sistem distribusi tenaga listrik. Konsep dasar yang dikembangkan pada metoda ini adalah pengurangan harmonisa arus jala jala sistem dilakukan dengan cara mengeleminir komponen-komponen arus harmonisa yang mendominasi arus jala jala tersebut. Pada sistem distribusi tenaga listrik tiga fasa empat kawat, distorsi arus jalajala umumnya didominasi oleh komponen arus harmonisa orde kelipatan tiga atau arus harmonisa urutan nol yang bersumber dari beban-beban nonlinier satu fasa. Secara komulatif komponen arus harmonisa urutan nol ini mengalir melalui kawat netral sistem. Oleh karena itu, pengurangan kandungan harmonisa arus jala jala pada sistem ini dilakukan dengan cara mengeleminir komponen arus iv
v harmonisa orde kelipatan tiga tersebut. Pengeleminiran dilakukan dengan cara melalukan arus netral sistem sebesar-besarnya untuk kembali kesumbernya (beban nonlinier) melalui suatu rangkaian kombinasi zero passing dan zeroblocking, sehingga kandungan arus harmonisa urutan nol di jala jala sistem sangat kecil. Dari hasil eksperimen pengurangan harmonisa arus jala jala pada sistem distribusi tenaga listrik tiga fasa empat kawat menggunakan rangkaian kombinasi zero passing dan zero-blocking didapatkan bahwa total kandungan harmonisa arus (THD) dapat dikurangi sebesar 56% dari kadungan harmonisa arus semula, arus netral sistem dapat dikurangi sebesar 94% dari arus netral semula dan faktor daya dapat ditingkatkan sebesar 30% dari semula. Pada sistem distribusi tenaga listrik tigq fasa empat kawat, umumnya distorsi arus didominasi oleh komponen arus harmonisa orde ke 5 dan ke 7 yang dibangkitkan dari beban-beban nonlinier ti gga fasa. Untuk mengurangi kandungan harmonisa arus pada sistem ini dilakukan eleminasi terhadap komponen arus harmonisa orde ke 5 dan ke 7 tersebut. Pengeleminiran dilakukan dengan cara penggeseran sudut fasa tegangan pada dua cabang beban nonlinier. Dengan perbedaan penggeseran sudut fasa dari kedua cabang beban sebesar 30, didapatkan besar sudut-sudut fasa komponen arus harmonisa orde ke 5 dan ke 7 yang saling berlawanan dari masing-masing cabang beban. Sehingga komponen arus harmonisa orde ke 5 dan ke 7 tersebut di jala jala sistem akan saling meniadakan. Oleh karena itu, arus jala jala sistem tidak lagi mengandung komponen arus harmonisa orde ke 5 dan ke 7. Basil eksperimen pengurangan harmonisa arus jala jala pada sistem distribusi tenaga listrik tiga fasa tiga kawat dengan cara penggeseran sudut fasa tegangan dua cabang beban masing-masing sebesar (-15 ) dan (+15 ) dengan menggunakan penggeser sudut fasa berupa sebuah autotrafo poligon simetris, menunjukkan bahwa total kandungan harmonisa arus dapat dikurangi sebesar 62% dari total kandungan harmonisa arus semula. Kelebihan metoda yang dipaparkan pada penelitian ini adalah kesederhanaan konsep, praktis dan efektif karena perangkat pengurangan harmonisa seperti zero passing, zero-blocking dan penggeser sudut fasa hanya terdiri dari
rangkaian elektromagnetik yang tidak memerlukan suatu rangkaian sensor dan kontrol dan serta tidak memerlukan komponen elektronik lainnya. Pada penelitian ini juga dibahas mengenai perancangan penyearah tiga fasa duabelas pulsa yang dibentuk dari dua buah penyearah tiga fasa enam pulsa yang dihubungkan secara paralel. Penyerah ini dirancang berdasarkan dari hasil pengembangan metoda penggeseran sudut fasa tegangan. Sudut fasa tegangan masukan masing-masing penyearah enam pulsa digeser sebesar (-15 ) dan (+15 ) menggunakan penggeser fasa autotrafo poligon simetris untuk menghilangkan komponen arus harmonisa orde ke 5 dan ke 7. Pemilihan penggunaan penggeser fasa autotrafo poligon simetris karena rating WA yang dibutuhkannya relatif lebih rendah dibandingkan dengan trafo penggeser fasa lainnya. Hasil eksperimen memperlihatkan bahwa total kandungan arus harmonisa masukkan penyearah duabelas pulsa ini hanya sebesar 10,9% saja tanpa mengandung komponen arus harmonisa orde ke 5 dan ke 7. Faktor dayanya sangat tinggi yaitu sebesar 0, 95. Sedangkan dalam standarisasi harmonisa IEC-555-1991 dan rekomendasi praktis IEEE-159-1994, suatu peralatan elektronik atau bebanbeban nonlinier di suatu terminal beban bersama maksimum arus harmonisa yang diijinkan adalah sebesar 20%.
ABSTRACT This research investigates the methods of system neutral current passing and blocking and the methods of the phase shifting of loads branches voltage. These methods are used as the alternatives for reducing harmonics in electric power distribution system. The first method is applied to a three phase four-wires electric power distribution system which predominantly polluted by zero-sequence harmonics (e.g 3rd order), while the phase shifting method is applied to a threephase three-wires electric power distribution system which predominantly polluted by negative-sequence harmonics (e.g. S`h order) and positive-sequence harmonics (e.g. 7th order). The mechanism process of harmonics current reduction using the combination of zero-sequence blocking transformer and zero-sequence passing transformer on electric power distribution system are presented in details. Various configuration of zero-sequence passing transformer and required WA rating is calculated and compared each other. The analysis also covers the effect of harmonic current reduction on the current distortion of electric power distribution system, power factor improvement and neutral current reduction. The laboratory experiments and field testing on three-phase four-wires electric power distribution systems show good results. The minimization of fifth and seventh order harmonics using phase-shifting mechanism is explored in detail. The voltage phase-shifting is realized by using phase-shifting transformer. Several phase-shifting transformer configurations and required WA rating is calculated. The effects of harmonics reduction on total harmonics distortion level and power factor improvement of the three phase three-wires electric power distribution system are given in details. Laboratory experiments on the three-phase three-wires electric power systems show good results. The results verify the method proposed.
The design criteria of zero passing, zero-blocking and phase-shifting transformers are based on required per-unit kva rating. With low rating WA, the physical design of transformers will be smaller, low losses and higher efficiency. This research also investigates twelve-pulse rectifier which has low harmonics input currents and low output voltage ripples. The rectifier is developed based on phase-shifting method. The phase-shifter is realized by an autotransformer configured in symmetrical polygon connection which has low WA rating.
i (Prof. H. T.M. Soelaiman, MSEE). Pe kik Argo Dahono )
196 BAB VII PENUTUP 7.1 Kesimpulan Dari uraian pembahasan yang telah dilakukan dan hasil-hasil penelitian yang telah didaptkan maka diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut 1. Suatu metoda baru yang sederhana, praktis dan efektif tentang pengurangan arus harmonisa di jala jala sistem distribusi tenaga listrik telah dipaparkan. 2. Prinsip dasar yang digunakan pada metoda pengurangan arus harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik tersebut adalah pengeleminiran komponenkomponen arus harmonisa yang mendominasi arus jala jala sistem. 3. Pengurangan arus harmonisa di jala jala sistem distribusi tenaga listrik tiga fasa empat kawat dilakukan dengan metoda pelaluan arus netral untuk mengeleminir komponen arus harmonisa urutan nol yang mendominasi arus jala jala sistem. Sebagai pelalu arus netral dapat digunakan rangkaian kombinasi zero-passing dan zero-blocking. Hasil eksperimen pengurangan arus harmonisa di jala jala sistem ini adalah sebagai berikut Besaran Sebelum Setelah Pengurangan Persentase Pengurangan Arus Harmonisa Yang Dicapai Arus Harmonisa Dengan Zero-passing dan Zero-blocking Arus jala-jala 40,6 A 32,97 A Pengurangan sebesar 18,8% Tingkat kandungan 80,9% 34,97% Pengurangan arus harmonisa (THD) sebesar 56,8% Faktor daya pf 0,75 0,98 Perbaikan sebesar 30,67% Arm netral 56,81 A 3,43 A Pengurangan sebesar 94% 4. Pengurangan arus harmonisa di jala jala sistem distribusi tenaga listrik tiga fasa tiga kawat dilakukan dengan metoda penggeseran sudut fasa tegangan dua cabang beban sebesar (-15 ) dan (+15 ) untuk mengeleminir komponen arus harmonisa urutan negatip orde ke 5 dan urutan positip orde ke 7 yang mendominasi arus jala jala sistem. Sebagai penggeser sudut fasa tegangan
197 digunakan autotrafo poligon simetris. Hasil eksperimen pengurangan arus harmonisa di jala jala sistem ini adalah sebagai berikut Besaran Sebelum Setelah Pengurangan Arus Persentase Pengurangan Harmonisa Dengan Yang Dicapai Arus Penggeser Fasa autotrafo Harmonisa Poligon Simetris Arus jala jala 3,01 A 2,90 A Pengurangan sebesar 3,65% Tingkat kandungan 31,2% 10,9% Pengurangan arus harmonisa sebesar 65,1% (THD) Faktor daya pf 0,94 0,99 Perbaikan sebesar 5,3% 5. Pengurangan arus harmonisa di jala jala sistem distribusi tenaga listrik tiga fasa dengan mengeleminir komponen-komponen arus harmonisa orde ke 3, ke 5 dan ke 7 dapat mengurangkan tingkat kandungan arus harmonisa (THD) arus jala jala sistem hingga mencapai 10,9%. THD arus yang dicapai ini dapat memenuhi standarisasi batasan arus harmonisa yang diperkenankan yaitu THD maksimum sebesar 20%. 6. Penggunaan pelalu arus netral berupa zero-passing autotrafo zigzag lebih menguntungkan karena rating kva perunit yang dibutuhkannya lebih rendah dibandingkan dengan rating kva trafo lainnya, yaitu hanya 0,385 perunit sehingga ukuran fisik trafo kecil, murah dan efesiensi sistem tinggi. 7. Penggunaan penggeser fasa berupa aoutotrafo poligon simetris lebih menguntungkan karena rating kva perunit yang dibutuhkannya lebih rendah dibandingkan dengan jenis trafo penggeser fasa lainnya, yaitu hanya 0,218 peruit sehingga ukuran fisik trafo penggeser fasa kecil, murah dan efesiensi sistem tinggi. 8. Penyearah tiga fasa 12 pulsa menguunakan penggeser fasa poligon simetris (-15 ) dan (+15 ) dapat menghilangkan komponen arus harmonisa orde ke 5 dan ke 7 pada arus masukannya, sehingga kandungan arus harmonisa (THD) arus masukan penyearah ini cukup rendah, yaitu hanya 10,02%, yang berarti dapat memenuhi standarisasi batasan kandungan arus harmonisa dari suatu peralatan elektronik yang direkomendasi oleh IEEE dan IEC yang mengijinkan THD arus maksimum sebesar 20%.
198 7.2 Saran-Saran Pembahasan mengenai metoda dan konsep pengurangan arus harmonisa pada sistem distribusi tenaga listrik tiga fasa yang paparkan pada penelitian ini dengan beranggapan bahwa kondisi sistem dalam keadaan mantap (steady state), dan beban-beban yang terdapat pada sistem dianggap setimbang dengan tegangan jala jala sistem dianggap ideal dan setimbang pula tanpa mengandung harmonisa. Dalam praktek mungkin sekali terjadi suatu kondisi sistem yang bebannya selalu berubah-ubah pada keadaan tertentu ataupun pada keadaan transien, dan mungkin saja beban-beban nonlinier ini dapat mengakibatkan distorsi yang signifikan terhadap gelombang tegangan jala jala sistem sehingga tegangan jala jala juga mengandung harmonisa. Oleh karena itu, untuk kelanjutan dan kesempumaan penelitian ini disarankan agar penelitian pengurangan arus harmonisa pada sistem distribusi ini lebih dikembangkan lagi untuk menelaah keadaan sistem yang mempunyai beban tidak setimbang dan dinamis dengan tegangan sistem yang mengandung harmonisa.