KOMPENSASI DAYA REAKTIF PADA SISTEM KELISTRIKAN INDUSTRI MENGGUNAKAN FILTER PASIF DAN THYRISTOR CONTROLLED REACTOR (TCR) BERBASIS FUZZY LOGIC CONTROLLER KUKUH WIDARSONO - 08100504 Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya-60111 Email: kuro_pace@yahoo.co.id Perusahaan penambangan batu bara banyak menggunakan motor yang dilengkapi Variable Speed Drive (VSD) dalam proses penambangannya. Variable Speed Drive (VSD) merupakan suatu peralatan elektronika daya yang berfungsi untuk mengatur kecepatan motor, namun penggunaan Variable Speed Drive (VSD) dapat menimbulkan masalah baru yang dapat menurunkan kualitas daya pada sistem kelistrikan, masalah tersebut adalah harmonik. Solusi saat ini yang banyak digunakan untuk mengatasi masalah tersebut adalah filter pasif yang di kombinasikan dengan Thyristor Controlled Reactor (TCR). Tugas akhir ini membahas desain filter pasif dan TCR berbasis Fuzzy Logic Controller (FLC). Filter pasif merupakan filter yang digunakan untuk menyerap harmonisa yang terjadi pada sistem dan juga sebagai kompensasi daya reaktif. Filter pasif yang digunakan disini adalah jenis filter single tuned. Sedangkan TCR (berbasis FLC) merupakan rangkaian induktor dan thyristor yang dikontrol menggunakan Fuzzy Logic dengan tujuan menjaga kestabilan power factor sistem. Rangkaian filter pasif dan TCR ini dipasang pada belitan tersier dari trafo 3 belitan. Dalam simulasi ini plant yang digunakan adalah Tabang Coal upgrading Plant (TCUP). TCUP adalah perusahaan tambang batu bara yang ada di Kalimantan timur. Setelah disimulasikan didapatkan bahwa pemasangan filter pasif dan TCR dapat meningkatkan power factor dari 89% menjadi 95% sekaligus menjaga kestabilan power factor pada point 95%. Selain itu, pemasangan filter pasif juga menurunkan THD arus dari 17% menjadi 1.44%. Kata Kunci : Single Tuned, Harmonic, Faktor Daya, TCR, Fuzzy 1. PENDAHULUAN Dalam suatu industri banyak digunakan peralatan elektronika daya. Peralatan ini digunakan untuk memaksimalkan pemakaian daya aktif dan juga digunakan untuk pengaturan putaran motor. Penggunanan peralataan ini menimbulkan masalah baru. Proses swicthing yang terjadi pada proses pengaturan putaran motor menyebabkan rusaknya gelombang fundamental. Rusaknya gelombang ini karena adanya gelombang lain dengan frekuensi kelipatan dari gelombang fundamental yang bercampur atau disebut dengan harmonisa. Pada industri batubara Tabang Coal upgrading Plant (TCUP) banyak digunakan Variable Speed Drive (VSD). Hal ini yang menyebabkan munculnya harmonisa pada sistem. Untuk mengurangi harmonik yang terjadi pada sistem akibat penggunaan peralatan pengaturan putaran motor tersebut, maka didalam sistem dipasang filter. Filter yang dipasang disini merupakan filter pasif. Selain itu, sistem juga dipasang TCR. Filter pasif merupakan filter yang digunakan untuk menyerap harmonisa yang terjadi pada sistem dan juga sebagai kompensasi daya reaktif. Filter pasif yang digunakan disini adalah jenis filter single tuned. Sedangkan TCR (berbasis FLC) merupakan rangkaian induktor dan thyristor yang dikontrol menggunakan Fuzzy Logic dengan tujuan menjaga kestabilan power factor sistem. Fuzzy logic telah dikenal sebagai metode yang efektif dan handal untuk menyelesaikan permasalahan yang rumit dan kompleks untuk diselesaikan secara matematis dengan menggunakan konsep ambiguitas dan ketidaktepatan. Kelebihan menggunakan teori fuzzy adalah tidak memerlukan model matematik yang rumit sehingga memudahkan proses perancangan sistem kontrol, aturan fuzzy bersifat sederhana sehingga mudah dimengerti, memiliki fleksibilitas yang tinggi karena mudah mengubah aturan sesuai kebutuhan, serta fuzzy merupakan model yang independen, memiliki kekokohan yang tinggi, dan mampu beradaptasi. Sehingga aplikasi fuzzy logic banyak dipergunakan dan terbukti efektif untuk memperbaiki performansi pada sistem tenaga listrik [1,]. PF ref PF Signal carieer FLC Komparator TCR Filter Gambar 1. Blok diagram perencanaan filter dan kontrol TCR Beban Gambar 1 diatas menunjukan diagram dari keseluruhan filter dan sistem kontrol. Blok diagram tersebut merupakan siklus tertutup dimana output dari sistem adalah besarnya daya reaktif yang akan diserap oleh TCR dan feed back sistem adalah power factor terukur. Dalam perencanaan ini, sistem kontrol dan filter akan dipasang secara paralel pada sisi tersier trafo terpisah dengan beban.
Diharapkan dengan pemasangan filter pasif dan TCR pada sistem, dapat meredam harmonisa yang terjadi. Selain itu, perubahan power factor sistem akibat perubahan beban selama proses produksi dapat di kontrol dengan baik.. TEORI PENUNJANG FAKTOR DAYA Faktor daya merupakan salah satu indikator baik buruknya kualitas daya listrik. Faktor daya didefinisikan sebagai perbandingan antara daya aktif dan daya reaktif. Faktor daya juga disimbolkan sebagai cos, dimana: P Cos θ = pf = (1) S Daya aktif adalah daya yang digunakan sistem untuk bekerja. Sedang daya reaktif adalah daya yang digunakan sistem untuk membangkitkan medan. Pada suatu tegangan V, daya aktif, daya reaktif dan daya total adalah sebanding dengan arus dan akan sesuai dengan persamaan, yaitu: S = = P + Q ( V I Cosθ ) + ( V I Sinθ ) Salah satu cara yang lazim untuk memperbaiki faktor daya adalah dengan cara kompensasi daya reaktif dimana sebagian kebutuhan daya reaktif yang dibutuhkan beban didapat dari kompensator daya reaktif. Salah satu kompensator daya reaktif adalah kapasitor bank dengan rating kvar sebagai berikut: ( tan ϑ tan ϑ ) awal t arg et () Q = P (3) sedangkan pada gambar 3, adalah gambar perbaikan faktor daya dengan kompensator daya reaktif (kapasitor) yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya beban adalah sebagai berikut: Daya reaktif pada p.f awal Q1 = P1 x tan θ 1 (4) Daya reaktif pada p.f yang diperbaiki Q = P x tan θ ; (5) dimana P = P1 = konstan Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya adalah, Daya reaktif ( Q ) = Q1 Q (6) Atau, Daya reaktif ( Q ) = P x (tan θ 1 - tan θ ) (7) HARMONISA Harmonik adalah gangguan yang terjadi dalam sistem distribusi tenaga listrik yang disebabkan adanya distorsi gelombang arus dan tegangan [3]. Distorsi gelombang arus dan tegangan ini disebabkan adanya pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi kelipatan bulat dari frekuensi fundamentalnya [4]. Harmonisa dapat menimbulkan beberapa masalah dalam sistem tenaga listrik. Antara lain dapat menyebabkan panas, salah pembacaan pada pengukuran besaran lisrik, rugi-rugi pada trafo meningkat, dan lianlain. Gambar 4 merupakan gambar gelombang harmonisa. Penambahan daya reaktif tersebut dibatasi pada nilai faktor daya maksimal 100% dan tidak merubah keadaan leading atau lagging sistem sehingga tidak merusak beban terpasang. Apparent Power Q Q1 θ Reactive Power Active Power Gambar. Hubungan Daya Pada Rangkaian AC Q (VAR) θ 1 θ P1 = P S (VA) S1 (VA) Gambar 3. Diagram Fasor Daya P (Watt) Gambar menunjukan, bahwa daya total adalah vektor penjumlahan antara daya aktif dan daya reaktif, Gambar 4. Gelombang Terdistorsi STATIC VAR COMPENSATOR Static Var Compensator (SVC) adalah komponen FACTS dengan hubungan paralel, yang fungsi utamanya untuk mengatur tegangan pada bus ter- tentu dengan cara mengontrol besaran reaktansi ekivalen. Dari sudut pandang operasional, SVC bekerja seperti reaktansi variabel shunt, yang bisa menghasilkan atau menyerap daya reaktif untuk mengatur besarnya tegangan pada titik sambungan ke jaringan AC [5]. Dalam bentuk yang paling sederhana, SVC terdiri dari komponen fixed capacitor (FC) yang terhubung paralel dengan thyristorcontrolled reactor (TCR). Kontrol sudut penyalaan thyristor memungkinkan SVC untuk memiliki kecepatan respon yang hampir seketika. Hal ini digunakan secara
luas untuk menyalurkan daya reaktif dan menyediakan support regulasi tegangan dengan cepat. Selain itu SVC juga dipakai untuk meningkatkan batas stabilitas sistem dan mengu- rangi osilasi daya [6]. Secara umum ada dua konfigurasi SVC, yaitu: Model firing angle SVC Pemodelan SVC berupa reaktansi ekuivalen X SVC, yang merupakan fungsi dari perubahan sudut penyalaan, yang terdiri dari kombinasi paralel admitansi ekuivalen thyristor-controlled reactor (TCR) dan reaktansi kapasitif tetap, seperti ditunjukkan pada Gambar 5(a). Model ini memberikan informasi mengenai sudut penyala- an SVC yang diperlukan untuk mencapai tingkat kompensasi tertentu. Model total susceptance SVC SVC dilihat sebagai sebuah reaktansi yang dapat diatur melalui perubahan susceptansi B SVC, yang melambangkan nilai susceptansi SVC total yang diperlukan untuk mempertahankan besar tega- ngan bus pada nilai tertentu, seperti ditunjukkan pada Gambar 5 (b). 3. METODE YANG DIGUNAKAN Simulasi Plant pada ETAP Mendesain plant dalam MATLAB Merencanakan`pasif filter dan TCR pada sistem sesuai data simulasi Simulasi sistem secara keseluruhan pada MATLAB Analisa hasil percobaan Metode yang digunakan dalam simulasi ini adalah menggunakan desain filter pasif tipe single tuned dan TCR berbasis Fuzzy Logic Controller, dalam simulasi sistem digunakan MATLAB 7.0.1. Dengan pemasangan filter dan TCR, harmonisa sistem dapat diredam selain itu power factor sistem dapat dijaga konstan. FILTER PASIF SINGLE TUNED Gambar 5. Konfigurasi SVC Dengan mengacu pada Gambar 5 (b), arus yang dialirkan oleh SVC adalah I SVC = jb SVC V l (8) dan daya reaktif yang dibangkitkan oleh SVC, yang juga merupakan daya reaktif yang diinjeksikan pada bus l, adalah Q SVC = Q l = B SVC (9) Filter dengan penalaan tunggal ditala pada salah satu orde harmonik (biasanya pada orde harmonik rendah). Filter ini terdiri dari rangkaian seri kapasitor, reaktor dan resistor (RLC). 1 Z(w)=R+j L- (.38) C Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang rendah pada frekuensi resonansinya. Sebuah shunt filter dikatakan ditala pada sebuah frekuensi, jika pada frekuensi tersebut reaktansi induktif dan kapasitifnya sama dengan nol. THRYSTOR CONTROLLED REACTOR TCR merupakan suatu alat yang berfungsi sebagai penyerap daya reaktif sistem pada saat sistem kelebihan daya reaktif. Tentunya komponen utama dari TCR merupakan induktor yang dipasang seri dengan sepasang thyristor. Digunakan sepasang thyristor karena digunakan untuk mengontrol fase positif dan negatif dari sistem. Gambar 6. menunjukkan rangkaian TCR yang digunakan pada sistem ini.
Gambar diatas merupakan rangkaian simulasi pada MATLAB 7.0.1. Trafo 3 belitan menurunkan tegangan dari 11 KV 0.69 KV, belitan sekunder terhubung dengan beban, sedangkan belitan tersiernya terhubung dengan rangkaian filter dan kontrol. Dalam simulasi ini beban yang terpasang pada kondisi normal adalah.9 Mwatt dan 1.5 Mvar. Sistem juga dipasang pasif filter dengan nilai kapasitor untuk filter harmonik orde ke-5 adalah 86.9 mf dan orde ke-7 adalah 6.7 mf, sedangkan nilai induktor yang dipasang pada sistem ini untuk orde ke-5 adalah 46 H dan orde ke-7 adalah 30 H. Gambar 6. Rangakaian TCR pada MATLAB FUZZY LOGIC CONTROLLER Simulasi Tanpa Fluktuasi Beban Berikut merupakan hasil simulasi sistem saat kondisi beban normal. Fuzzy logic controller digolongkan dalam kontrol cerdas. Unit logikan fuzzy memiliki kemampuan menyelesaikan masalah yang komplek, yang tidak dimiliki kontroler konvensional. Input yang diigunakan dalam proses pengontrolan thyristor ini ada dua macam, yaitu error dan delta error. Error diperoleh dari selisih antara PF (Power factor) yang terukur dengan PF referensi, dimana PF referensi merupakan besaran PF yang kita inginkan. Sedangkan delta error merupakan selisih antara error sekarang dengan error sebelumnya. Gambar 9. Spektrum harmonisa dan THD arus primer sebelum dipasang filter Gambar 7. Rangakain FLC pada MATLAB 4. SIMULASI DAN ANALISA Gambar 10. Spektrum harmonisa dan THD arus primer setelah dipasang filter Gambar 8. Rangkaian simulasi sistem pada MATLAB Gambar 9 dan 10 merupakan gambar THD arus sistem sebelum dan sesudah dipasang filter. Gambar 9 merupakan gambar THD arus sistem sebelum dipasang filter, dimana nilai THD - nya sebesar 17%. Penyumbang harmonisa terbesar dalam sistem ini adalah harmonik orde ke-5 dan ke-7. Sedangkan gambar 10 menunjukan
penurunan THD arus dari 17% menjadi 1.5% dengan dipasangnya filter pada sistem. Pemasangan filter selain menyerap harmonisa juga sebagai kompensasi daya reaktif. Hal ini ditunjukkan pada gambar 11, dimana power factor sistem naik dari 0.89 menjadi 0.95. Gambar 1. Perubahan power factor pada sistem yang tidak dipasang filter pasif dan TCR. Gambar 11. Power factor sistem sebelum dan sesudah dipasang filter pasif. Tabel 1. Aliran daya sistem, pada saat sistem beroperasi normal. Keadaan normal Tanpa TCR dan Filter Menggunakan TCR dan Filter Daya aktif.9 Mwatt 3.19 Mwatt Reaktif 1.49 Mvar 1.04 Mvar Arus primer 87 Ampere 54 Ampere Power faktor 0.89 0.95 THD Arus Primer 17 % 1.44 % Tabel 1 menunjukkan perbandingan aliran daya pada sistem saat beroperasi normal dengan menggunakan filter dan tanpa filter. Dapat dilihat bahwa dengan pemasangan filter THD arus, daya reaktif serta arus primer menjadi turun. Sedangkan power factor dan daya aktif mengalami kenaikan. Simulasi Dengan Fluktuasi Beban Pada simulasi ini, sistem mendapat tambahan beban sebesar 0.4 Mwatt dan 1 Mvar. Penambahan ini untuk melihat respon dari TCR yang dikontrol menggunakan fuzzy terhadap perubahan beban. Dalam percobaan ini akan dibandingkan antara sistem yang belum dipasang TCR dengan sistem yang telah dipasang TCR. Gambar 13. Perubahan power factor pada sistem yang telah dipasang filter pasif dan TCR. Gambar 1 dan 13 menunjukkan perbandingan power factor sistem antara yang belum dipasang filter dan TCR dengan sistem yang telah dipasang filter dan TCR. Gambar 1 menunjukkan Power factor sistem turun pada level 0.8 akibat adanya perubahan beban pada sistem, power factor tidak bisa kembali ke titik awal karena sistem belum dipasang filter maupun TCR. Sedangkan sistem yang telah dipasang filter dan TCR memiliki power factor yang stabil pada point 0.95, hal ini bisa dilihat pada gambar 13. Sistem mengalami penurunan power factor, akan tetapi hal ini tidak berlangsung lama. Hal ini menunjukkan bahwa TCR mampu merespon perubahan beban yang terjadi pada sistem.
Tabel. Aliran daya sistem, pada saat terjadi penambahaan beban pada sistem. Keadaan normal Tanpa TCR dan Filter Menggunakan TCR dan Filter Daya aktif (Mwatt).98 3.6 3.18 3.53 Reaktif (Mvar) 1.5.3 1 1.14 Arus primer (Ampere) 86-345 54-83 Power faktor 0.95-0.8 0.953-0.951 THD Arus Primer 17 % 1.44 % Simulasi Perbandingan Harmonisa Pada Trafo Belitan dan 3 Belitan Pada simulasi ini akan dibandingkan pemasangan filter pasif pada trafo belitan dan 3 belitan. Pada trafo dua belitan, filter pasif dipasang pada sisi sekunder paralel dengan beban. Sedangkan pada trafo 3 belitan, belitan tersier digunakan sebagai tempat pemasangan filter pasif. Tujuan dari pembandigan disini adalah untuk mengetahui kemampuan trafo 3 belitan yang didesain meyerupai trafo belitan kaitannya dengan pemasangan filter pasif untuk penyerapan harmonisa. Belitan trafo untuk trafo belitan terhubung Y-, dimana sisi primer trafo terhubung Y dan primer trafo terhubung. Sedangkan untuk trafo 3 belitan, belitan trafo terhubung Y-, dimana primer terhubung Y, sekunder terhubung dan tersier trafo terhubung. Gambar 15. Spektrum harmonisa dan THD arus primer pada trafo 3 belitan. Gambar 14 dan 15 membandingkan THD arus primer pada trafo belitan dengan trafo 3 belitan. Trafo 3 belitan memiliki performance yang mirip dengan trafo belitan dalam penyerapan harmonisa. Trafo 3 belitan menurunkan THD arus menjadi 1.44% sedangkan trafo belitan menurunkan THD arus menjadi 1.31%. Selain bisa memberikan manfaat seperti trafo belitan, dimungkinkan belitan tersier pada trafo 3 belitan yang dipasang filter dapat diberikan ratting tegangan yang bervariasi dari belitan sekunder. Tabel 3. Aliran daya pada trafo belitan dan 3 belitan Keadaan normal Tanpa TCR dan Filter Dengan TCR dan Filter Trafo Trafo 3 Belitan Belitan Daya aktif (Mwatt).9 3.19 3.19 Reaktif (Mvar) 1.49 1.04 1.04 Arus primer (Ampere) 87 54. 54 Power faktor 0.89 0.95 0.95 THD Arus Primer 17 % 1.31 % 1.44 % Tabel 3 menunjukkan aliran daya pada trafo belitan dan 3 belitan. Data tersebut diambil pada kondisi beban normal. dapat dilihat bahwa trafo belitan dan 3 belitan memiliki peformance yang mirip. Gambar 14. Spektrum harmonisa dan THD arus primer pada trafo belitan.
5. KESIMPULAN Dari hasil simulasi dan analisa dalam tugas akhir ini, maka kesimpulan yang dapat diambil adalah : 1. Hasil perencanaan Filter mampu menurunkan THD arus pada bus 117 atau MCC 1 dari 17 % menjadi 1.44 %.. Filter pasif selain menjadi filter juga mampu men-supplay daya reaktif pada beban. 3. Thyristor Controlled Reactor (TCR) dapat menggatur penyerapan daya reaktif dari filter, sehingga sistem memiliki power factor yang stabil pada point 0.95. 4. Fuzzy Logic Controller dapat memberikan respon yang efektif terhadap perubahan power factor yang terjadi pada sistem. 5. Pemasangan filter pasif dan TCR pada trafo 3 belitan maupun belitan memberikan performance yang mirip. Keuntungan lain dari trafo 3 belitan adalah trafo 3 belitan mampu bekerja pada ratting tegangan yang disesuaikan dengan rangkaian filter dan TCR. RIWAYAT HIDUP PENULIS Kukuh Widarsono, lahir di Nganjuk pada tanggal 3 Februari 1985. Penulis adalah anak ke-3 dari pasangan suami istri Lasir dan Damini. Pada Tahun 1991 memulai pendidikannya di SDN Kepanjen 1 Nganjuk, pada Tahun 1997 melanjutkan ke SLTP Negeri Nganjuk lulus pada tahun 000. Penulis menempuh pendidikan tingkat menengah di SMUN Kediri, mulai tahun 000 dan lulus tahun 003. Pada tahun 003 penulis kuliah di D3 Politeknik Negeri Malang jurusan T. Elektro, lulus pada tahun 006. Kemudian pada bulan Agustus 008 melalui program lintas jalur, penulis melanjutkan studi S-1 di Teknik Elektro, Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. DAFTAR PUSTAKA [1] Imam Robandi, Desain Sistem Tenaga Modern, Andi Yogyakarta, 006. [] A.J.F.Keri, X.Lombard, dan A.A.Edris, "Unified Power Flow Controller (UPFC): Modeling and Analysis",IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.14,No.,April 1999. [3] Iryawan, Alex, 007. Studi Pengaruh Harmonisa Tiga Fasa pada Gardu Trafo Tiang 00 KVA yang Berdampak Terhadap Kenaikan Arus Netral di PLN Apj Surabaya Utara. Thesis, Universitas Kristen Petra. [4] Setiadji, Julius Sentosa, dkk. Pengaruh Harmonisa pada Gardu Trafo Tiang Daya 100 KVA di PLN APJ Surabaya Selatan. Universitas Kristen Petra. [5] Acha, E., Agelidis, V.G., Anaya-Lara, O., Miller, T.J.E., Power Electronic Control in Electrical Systems, MPG Books Ltd., Great Britain, 00. [6] Kundur, P., Power Systems Stability and Control, McGraw-Hill, New York, 1994.