Perencanaan Filter Hybrid untuk Mengurangi Dampak Harmonisa pada PT. Semen Indonesia Pabrik Rembang Anissa Eka Marini Pujiantara - 2210100133 Pembimbing 1. Prof. Ir. Ontoseno Penangsang,M.Sc.,Ph.D 2. Dedet Candra Riawan, ST.,M.Eng.,Ph.D
DAFTAR ISI Pendahuluan Dasar Teori Studi Kasus Hasil simulasi dan analisis Kesimpulan dan Saran
1. PENDAHULUAN Latar Belakang PENDAHULUAN Batasan Masalah
LATAR BELAKANG VARIABLE SPEED DRIVE DISTORSI HARMONISA FILTER HARMONISA
BATASAN MASALAH Pemodelan dan simulasi menggunakan software ETAP 7.5 Pemodelan filter aktif menggunakan software PSIM Perhitungan harmonisa dilakukan dalam kondisi beban penuh Analisa harmonisa dilakukan dalam kondisi steady state
DASAR TEORI FAKTOR DAYA HARMONISA FILTER HARMONISA
FAKTOR DAYA Nilai S dan Q dapat berubah sesuai dengan nilai faktor daya (θ) yang ada SEGITIGA DAYA Q (kvar) P (kwatt) P merupakan komponen daya aktif yang nilainya cenderung konstan
FAKTOR DAYA (2) Perbaikan Faktor daya Q1 Q2 P
komponen sinusoidal tegangan dan arus yang mempunyai frekuensi kelipatan bilangan bulat (integer) dari frekuensi dasar pada kondisi steady state
HARMONISA (2) Maximum Harmonic Current Distortion in Percent of I L I SC /I L Individual Harmonic Order (Odd Harmonic) <11 11 h 17 17 h 23 23 h 35 35 h TDD < 20 * 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0 20 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0 50 100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0 100 1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 > 1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 Even harmonic are limited to 25% of the odd harmonic above. Current distortion that result in a dc, e.g. half-wave converters, are not allowed. * All power generation equipment is limited to these values of current distortion regardless of the actual I SC /I L. Where : I SC = maximum short circuit at PCC I L = maximum demand load current (fundamental frequency component) at PCC Standard Harmonisa Arus (IEEE Std. 519-1992) untuk level tegangan 69 kv dan dibawahnya
HARMONISA (3) Bus Voltage at PCC Individual Voltage Distortion (%) THD (%) 69 kv and below 3,0 5,0 69,001 kv through 161 kv 1,5 2,5 161,001 kv and above 1,0 1,5 Standard Harmonisa Tegangan (IEEE Std. 519-1992) THD = Total Harmonic Distortion yaitu Persentase total komponen harmonik terhadap komponen fundamentalnya
FILTER HARMONISA Filter aktif bekerja sebagai sumber arus harmonisa yang berlawanan phasa dengan arus harmonisa pada sistem. Filter Pasif bekerja untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih frekuensi tertentu dengan cara menyediakan jalur yang rendah impedansinya pada frekuensi-frekuensi harmonisa.
FILTER HARMONISA (2) Filter Pasif single tuned Mentala salah satu orde harmonisa
FILTER HARMONISA (3) Filter Aktif Filter aktif 3 fasa yang digunakan terdiri dari Low Pass Filter (LPF), kontroler PI, dan inverter Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM)
STUDI KASUS resetting eksisting Tanpa capasitor bank dan filter Dengan capasitor bank tanpa filter Dengan filter tanpa capasitor bank Dengan capasitor bank dan filter Penambahan tap trafo Pemasangan capasitor bank Pemasangan filter pasif Penambahan filter aktif
Single Line Diagram PT. Semen Indonesia Rembang HASIL SIMULASI DAN ANALISIS
Hasil simulasi sistem eksisting Bus ID Nom kv % V % V % V %V % PF % PF % PF % PF C-1 C-2 C-3 C-4 C-1 C-2 C-3 C-4 MAIN BUS REMBANG 150 100 100 100 100 66,51 74,12 91,29 98,09 ER1-831MV011 20 83.64 91 93.78 101.77 71,43 84,13 86,98 99,70 821MV012 20 86.9 93.63 96.27 103.64 73,05 85,23 88,01 99,85 811MV03 6.3 91.98 93.52 97.12 98.84 70,42 77,56 94,81 98,35 821MV011 6.3 91.76 94.72 96.51 99.77 72,57 85,38 90,95 98,56 821MV021 6.3 91.05 91.52 96.29 96.81 72,98 74,73 91,32 91,95 ER1-831MV012 6.3 74.38 85.27 88.79 100.69 78,49 88,52 78,91 92,41 ER2-831MV02 6.3 91.28 94.25 96.71 100 84,05 84,05 76,33 75,07 ER3-831MV031 6.3 89.9 92.91 94.73 98.06 76,29 76,47 76,55 76,72 ER4-831MV041 6.3 89.89 93.38 95.41 99.26 74,20 88,92 74,40 85,10 ER5-831MV051 6.3 88.55 89.03 94.44 94.98 73,39 73,43 73,97 74,01 ER5-831MV052 6.3 88.89 89.68 95.25 96.12 76,88 85,32 77,39 79,40 ER6-831MV061 6.3 88.43 89.21 94.79 95.66 77,69 77,77 77,89 77,94 ER7-831MV071 6.3 89.51 89.98 96.33 96.87 63,87 63,89 47,79 47,36 ER8-831MV081 6.3 90.53 92.32 96.53 98.54 69,11 78,95 69,69 72,19 ER8-831MV082 6.3 90.5 92.25 96.3 98.26 69,24 76,62 69,68 78,08 ER9-831MV091 6.3 90.21 91.96 96.02 97.97 77,69 77,83 77,91 77,89 ER10-831MV101 6.3 90.06 91.64 95.31 97.06 77,10 77,21 77,41 77,51 ER11-831MV111 6.3 89.63 90.1 94.9 95.42 77,32 77,34 77,52 77,53 ER11-831-MV112 6.3 91.19 92.75 96.37 98.11 77,18 77,25 77,48 77,58 BUS-344FN04CO1 0.7 82.53 86.09 88.55 92.44 66,03 64,34 66,03 64,07 831.LV011 0.4 67.62 79.5 83.26 95.83 82,17 82,24 82,24 82,30 831LV053 0.4 81.95 82.81 88.86 89.79 81,99 81,99 81,99 81,98 831LV71 0.4 85.85 86.32 91.15 91.67 79,57 79,56 79,60 79,58 831-LV3A1 0.4 85.18 85.97 91.58 92.45 80,03 79,97 79,97 80,00 831-LV081 0.4 83.03 85 89.56 91.72 86,05 86,07 86,10 86,10 831-LV082 0.4 83.83 85.72 90.08 92.16 86,13 86,16 86,16 86,19 834-LV5A1 0.4 86.98 88.74 92.81 94.77 80,00 79,97 79,97 80,03 834 -LV61 0.4 85.77 87.67 92.11 94.22 85,30 85,34 85,43 85,48 Hasil simulasi dengan 4 kasus menunjukkan bahwa sistem eksisting belum layak digunakan. Disamping drop tegangan yang tinggi, nilai THD juga masih diluar standar. Bus ID Nom kv THD THD THD THD C-1 C-2 C-3 C-4 BUS- 344FN04CO1 0.7 8,73 8,28 7,92 7,56 831.LV011 0.4 12,72 9,45 7,77 6,64 831LV053 0.4 9,15 8,77 6,77 6,69
1. Penambahan tap trafo Digunakan untuk memperbaiki tegangan sistem Bus ID V ex V tap %PF MAIN BUS REMBANG 100 100 75.7 ER1-831MV011 91 95.53 91.48 811MV03 94.72 96.26 78.27 821MV011 93.52 97.94 88.25 821MV012 93.63 98.91 92.35 821MV021 91.52 94.2 75.13 ER1-831MV012 85.27 96.12 94.05 ER2-831MV02 94.25 97.48 84.17 ER3-831MV031 92.91 96.19 76.63 ER4-831MV041 93.38 96.68 90.05 ER5-831MV051 89.03 91.81 73.67 ER5-831MV052 89.68 92.45 86.19 ER8-831MV081 92.32 95.11 77.91 ER8-831MV082 92.25 95.03 64.06 ER9-831MV091 91.96 94.75 79.86 ER10-831MV101 91.64 94.42 77.31 ER11-831MV111 89.63 92.77 77.89 ER11-831-MV112 91.19 95.5 77.48 BUS-344FN04CO1 82.53 95.41 77.53 831.LV011 67.62 96.34 77.43 831.LV021 89.38 95.67 66.03 831LV053 81.95 89.65 82.36 831LV71 85.85 91.37 85.01 831-LV3A1 85.18 91.11 81.98 831-LV081 83.03 93.41 79.6 831-LV082 83.83 94.05 80 834-LV5A1 86.98 91.54 86.11 834 -LV61 85.77 95.87 86.19
RESETTING (2) 2. Penambahan capasitor bank untuk memmperbaiki faktor daya MAIN BUS REMBANG ID Capacitor kv mvar CAPNEW1 6.3 9.66 CAPNEW2 6.3 7.25 UNSAFE PF ex PF new 75.7% 90.33% SAFE
RESETTING (3) 3. Penggunaan filter pasif Menggunakan 3 filter pasif single-tuned Untuk mengurangi THD dan TDD pada bus berikut: Bus ID THDv Bus Isc IL Isc/IL TDD TDD I (%) BUS-344FN04CO1 7.11 831.LV011 30.3 2,22 14 5 15.56 831.LV011 7.65 831LV053 47.3 2.84 17 5 12.3 831LV053 6.58 BUS- 344FN04CO1 6,8 0,47 14 5 7.57
RESETTING (3) 3. Penggunaan filter pasif Maka menggunakan filter dengan parameter sbb: BUS ID kvar rated 1-ph kv xl Q factor R 831-LV011 257 0.4 0.0249 30 0.0008 bus 344FN04C01 262 0.7 0.0154 30 0.0005 831-LV053 321 0.4 0.0199 30 0.0006 THDv TDD Bus ID Isc/Il eksisting filter pasif eksisting filter pasif BUS-344FN04CO1 13.67 7.11 0.64 7.57 0.76 831.LV011 14.5 7.65 3.86 15.56 5.77 831LV053 16.64 6.58 2.1 12.3 4.08 SAFE UNSAFE
RESETTING (4) 4. Penambahan filter aktif Penambahan disini bertujuan untuk meredam harmonisa yang tidak bisa diatasi oleh filter pasif. Di kasus ini harmonisa arus pada bus 831 LV011 unsafe Bus Isc IL Isc/IL TDD TDD I (%) 831.LV011 30.3 2,22 14 5 5.77 831LV053 47.3 2.84 17 5 4.08 BUS-344FN04CO1 6,8 0,47 14 5 0.76
Resetting (4) 4. Penambahan filter aktif Pemodelan filter aktif disimulasikan dalam bentuk PSIM lalu parameternya diumpankan kembali ke dalam software ETAP
PERBANDINGAN THD PADA PSIM 0,56 0,106
Resetting (4) 4. Penambahan filter aktif Setelah disimulasi, filter aktif yang ditambahkan ternyata mampu untuk menyerap harmonisa arus. Sehingga dapat disimpulkan bahwa PT. Semen Indonesia membutuhkan filter hybrid untuk mengatasi masalah harmonisa Bus ID Isc/Il filter pasif THDv filter hybrid filter pasif TDD filter hybrid BUS-344FN04CO1 13.67 0.64 0.64 0.76 0.76 831.LV011 14.5 3.86 1.03 5.77 1.66 831LV053 16.64 2.1 2.1 4.08 4.08
PERBANDINGAN PADA ETAP UNSAFE SAFE
KESIMPULAN Dari hasil unjuk kerja masing-masing filter harmonisa didapat sebagai berikut: Sistem kelistrikan eksisting maka memerlukan tap trafo agar tegangan di bus cukup sehingga aliran daya dari supply bisa tersampaikan ke beban tanpa ada drop voltage yang besar. Pemasangan kapasitor bank tambahan perlu dilakukan juga untuk memperbaiki faktor daya bus yang terhubung dengan PLN sehingga tidak membayar denda. Filter pasif Single Tuned Filter yang terpasang pada bus 831.LV011, 831LV053, dan BUS-344FN04CO1 telah berhasil meredam distorsi harmonisa tegangan. Filter pasif berhasil menekan di orde 5 dan 11 sehingga %THD yang dihasilkan masih dalam batas standar yang diperbolehkan Harmonisa arus untuk keseluruhan sistem berhasil diturunkan, khususnya pada bus 831LV053, dan BUS- 344FN04CO1, sehingga berada di bawah standar IEEE Std. 519-1992. Akan tetapi pada bus 831 LV 011 harmonisa arus masih menunjukkan angka 5,77%. Perlu penambahan filter aktif untuk meredam distorsi harmonisa yang tidak dapat diredam oleh filter pasif. Filter hybrid yang diusulkan dalam tugas akhir ini berbentuk filter pasif yang diberi tambahan filter aktif. Pemodelan filter hybrid dalam tugas akhir ini dilakukan pada level tegangan rendah.
TERIMAKASIH
Total generation, loading, demand
Fourier (1) Menurut metode Fourier, suatu fungsi periodik dapat diuraikan menjadi fungsi-fungsi sinusoidal dengan frekuensi, amplitude, dan sudut fasa tertentu apabila memenuhi syarat-syarat: Merupakan fungsi periodik = + dengan T = periode Merupakan fungsi kontinyu atau fungsi tak kontinyu dengan jumlah ketidakkontinyuan yang tertentu selama satu periode Selama selang periode, fungsi harus mempunyai harga rata-rata tertentu Dalam satu periode T, fungsi harus mempunyai harga maksimum atau minimum yang jumlahnya tertentu.
Fourier (2) Apabila syarat-syarat diatas dipenuhi maka fungsi dapat diuraikan menjadi deret Fourier yang bentuknya sebagai berikut: = + ( cos + sin ) dengan : = = cos ( ) = ( ) sin ( ) Penyederhanaan analisis Fourier dapat dilakukan dengan menggunakan sifat-sifat khusus sebagai berikut: Jika luas siklus positif dan negatif dalam satu periode sama maka a 0 =0 Jika = ( + ) atau fungsi mempunyai simetri setengah gelombang maka tidak akan muncul harmonisa orde genap Jika fungsi merupakan fungsi genap = ( ) maka b n = 0 Jika fungsi merupakan fungsi ganjil = ( + ) maka a n = 0
Sumber harmonisa A. Konverter Kebanyakan beban yang menimbulkan cacat gelombang (deforming loads) adalah beban-beban yang mengandung konverter (static converter). Beberapa contoh yang umum antara lain : Lampu flourescent, dimmer. Komputer Perangkat elektronik untuk rumah tangga (TV, microwave, pemanas). Variable speed drive (VSD). Charger baterai. Uninterruptible Power Supply (UPS). B. Tanur Busur Listrik (Electric Arc Furnace) C. Transformator D. Mesin-Mesin Berputar
PENGARUH YANG DITIMBULKAN HARMONIK (1) Pengaruh negatif harmonik dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu efek seketika (instantaneous effects) dan efek jangka panjang (long-term effects) karena overheating. Yang termasuk pada efek seketika, contohnya adalah mengganggu pengoperasian kontroler pada sistem elektonik. Harmonik juga dapat menyebabkan salah pembacaan (misreading) pada pengukuran besaran listrik. Gelombang terdistorsi pada saluran menimbulkan interferensi pada saluran komunikasi dan rangkaian kontrol atau monitoring. Sedangkan efek jangka panjang yang sering terjadi adalah overheating, misalnya pada kapasitor. Selain itu, overheating pada mesin-mesin listrik maupun transformator terjadi karena adanya rugi-rugi energi tambahan akibat harmonik. Pada kabel dan peralatan, rugi-rugi energi tambahan ini disebabkan oleh bertambahnya nilai rms arus untuk daya aktif yang sama dan bertambahnya resistansi inti yang sebanding dengan bertambahnya frekuensi (karena skin effect).
Pada umumnya beban-beban listrik dari suatu sistem tenaga listrik mempunyai faktor kerja lagging atau bersifat induktif. Bebanbeban tersebut antara lain motor-motor induksi, trafo daya, beban konverter, dan lain-lain menarik arus magnetisasi dari jaringan sehingga beban-beban tersebut membutuhkan daya reaktif dari jaringan sistem tenaga listrik. Bila kebutuhan daya reaktif sangat besar, maka dapat mengakibatkan faktor daya menjadi makin kecil, sedangkan berkurangnya faktor daya dapat menimbulkan berbagai kerugian baik di pihak pembangkit maupun pihak konsumen. Adapun kerugian di pihak konsumen antara lain: Perbedaan tegangan listrik pada kondisi beban ringan dan beban penuh relatif besar. Hal ini berarti pengaturan tegangan menjadi buruk. Instalasi listrik dengan pembatasan arus tertentu dan untuk melayani daya tertentu (KW) akan memerlukan kapasitas yang lebih besar. Kerugian pihak pembangkit adalah Menurunnya efisiensi peralatan, seperti transformator daya dan jaringan penghantar. Dalam hal ini untuk daya aktif yang sama, menurunnya faktor daya akan menambah besar arus yang melalui peralatan tersebut, sehingga rugi-rugi daya akan bertambah besar. Dengan demikian efisiensi peralatan akan menurun. Drop tegangan akan menjadi lebih besar.