NASKAH PUBLIKASI ANALISIS HARMONIK DAN PERANCANGAN HIGH PASS DAMPED FILTER PADA SISTEM DISTRIBUSI STANDAR IEEE 13 BUS DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ETAP POWER STATION 7.0 Diajukan oleh: AGUS WIDODO D 400 100 064 JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA 2013 i i
ii
ANALISIS HARMONIK DAN PERANCANGAN HIGH PASS DAMPED FILTER PADA SISTEM DISTRIBUSI STANDAR IEEE 13 BUS DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ETAP POWER STATION 7.0 Agus widodo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani tromol pos 1 pabelan kartasura surakarta arjunawafiq@gmail.com ABSTRAKSI Harmonik merupakan suatu fenomena dalam sistem distribusi yang memiliki dampak merugikan pada peralatan komponen sistem distribusi. Harmonik disebabkan oleh adanya pengoperasian peralatan yang mengandung komponen elektronika atau elektroika daya dan peralatan yang mempunyai kejenuhan inti besi seperti mesin-mesin listrik. Harmonik memiliki banyak kerugian, salah satunya ialah penambahan panas berlebih terhadap kawat netral sebagai bentuk rugi-rugi daya yang berubah menjadi panas. Oleh sebab itu, dengan adanya pemasangan high pass damped filter diharapkan nilai THD akan turun dibawah nilai standarnya. Dalam penelitian ini akan dilakukan analisis harmonik dan perancangan high pass damped filter pada sistem distribusi standard IEEE 13 bus dengan menggunakan software ETAP Power Station 7.0. Penelitian dimulai dengan membuat model sistem distribusi standard IEEE 13 bus dengan menggunakan ETAP Power Station 7.0. Data-data sistem yang diperlukan kemudian dimasukkan ke dalam model tersebut. Setelah modelnya lengkap kemudian dilakukan simulasi aliran daya untuk mengetahui apakah model yang dibuat sudah sempurna atau belum. Kemudian penambahan beban nonlinier UPS Rockwell 6P_1 VFD pada sistem tersebut. Setelah adanya beban nonlinier nilai THDv naik dari 0% menjadi 6.56%, naik 1.56% dari nilai standarnya 5% dan THDi naik dari 0% menjadi 20%. Pemasangan beban nonlinier juga meningkatkan rugi-rugi daya dari 37.2 KW menjadi 95.1 KW. Setelah itu merancang high pass damped filter dan memasukan parameter filter pada ETAP Power Station 7.0 untuk simulasi. Hasil simulasi harmonik setelah penambahan high pass damped filter diamati dan data-datanya kemudian dianalisis. Hasil simulasi menunjukkan bahwa dengan adanya pemasangan high pass damped filter nilai THD menjadi turun dari 6.56% menjadi 3.34% dibawah nilai standarnya serta THDi turun dari 20% menjadi 9.71%, THDv turun 3.22% dari nilai THD sebelum pemasangan high pass damped filter. Dengan adanya pemasangan filter rugi-rugi daya menurun dari 95.1 KW menjadi 86.4KW. Besarnya nilai THD di tentukan dari jenis beban nonlinier dan kapasitas daya beban nonlinier. Kata Kunci: harmonik, filter pasif, high pass damped filter 1. Pendahuluan Energi listrik menjadi kebutuhan pokok dalam kehidupan manusia saat ini. Energi Listrik dibangkitkan pada sistem pembangkit disalurkan ke konsumen melalui sistem transmisi dan sistem distribusi. Dalam sistem tenaga listrik gangguan sering terjadi pada sistem distribusi yang menjadi ujung tombak pemikulan beban pada konsumen. Gangguangangguan tersebut akan berdampak buruk pada kualitas daya listrik yang disalurkan ke beban. Seiring perkembangan teknologi, saat ini banyak bermunculan beban-beban baru yang menimbulkan kerugian pada sistem distribusi. Penambahan beban-beban non linier pada sistem tenaga listrik akan berdampak buruknya kualitas daya terutama pada sistem distribusi. Sistem tenaga listrik mengenal dua macam 1
beban yaitu beban linier dan beban non linier. Beban linier ialah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang linier, yaitu arus yang mengalir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan. Sedangkan beban non linier ialah beban yang bentuk gelombang keluaranya tidak sebanding dengan tegangan dalam setiap setengah siklus sehingga bentuk gelombang arus listrik maupun tegangannya tidak sama dengan bentuk gelombang masukannya. Beban-beban non linier hampir sebagian besar ditemukan pada peralatan-peralatan yang menggunakan komponen semikonduktor sebagai pusat operasinya. Seperti dioda, bipolar junction transistor (BJT), silicon controlled rectifier (SCR), junction field efect transistor (JFET), metal oxid field efect transistor (MOSFET), insulated gate bipolar junctioan transistor (IGBT), dan lainya. Saat ini hampir seluruhnya beban listrik menggunakan komponen elektronika yang menyebabkan cacat pada gelombang masukanya. Beban non linier inilah yang akan menimbulkan harmonik. Sistem tenaga listrik dirancang untuk bekerja pada frekuensi dasar 50 atau 60Hz. Beban non linier menyebabkan munculnya gelombang arus dan tegangan yang frekuensinya merupakan kelipatan dari frekuensi dasarnya, dan bertambah setiap orde ganjil. Gelombang tersebut akan menumpang pada gelombang masukan, sehingga bentuk gelombang masukan tidak lagi berbentuk sinus murni atau mengalami distorsi. Fenomena ini disebut dengan harmonik. Harmonik membawa banyak kerugian pada peralatanperalatan sistem tenaga listrik mulai dari penurunan kinerja sampai terjadi kerusakan pada peralatan bahkan pada level tertentu bisa menyebabkan terjadinya kegagalan isolasi. Dampak akibat distorsi harmonik lainya bisa menyebabkan kenaikan arus pada penghantar netral sehingga mengakibatkan kenaikan rugi-rugi daya (Carpinelli, 2004). Harmonik dapat menyebabkan penurunan kinerja alat ukur berupa terganggunya relay proteksi, kesalahan alat ukur membaca besaran rms yang memungkinkan terjadinya gagal trip, kegagalan kapasitor tenaga, pemanasan lebih 2 pada transformator dan penghantar netral (Grady and Santosa, 2001). Banyak sekali kerugian yang ditimbulkan akibat adanya distorsi harmonik, untuk mengatasi hal tersebut maka perlu dipasang filter harmonik untuk mengurangi dan menekan semaksimal mungkin distorsi harmonik tersebut. Tujuan pemasangan filter harmonik ialah untuk mereduksi amplitudo gelombang pada frekuensi tertentu dari tegangan dan arus. Ada dua macam filter yaitu filter aktif dan filter pasif, filter pasif terdiri dari gabungan komponen induktor dan komponen kapasitor yang bertujuan menghasilkan resonansi untuk meredam arus harmonisa yang tinggi. Sedangkan filter aktif menggunakan teknologi elektronika daya untuk menghasilkan arus spesifik yang bertujuan untuk menggagalkan arus harmonisa yang dihasilkan oleh beban non linier. Salah satu filter pasif untuk meredam arus harmonisa ialah high pass damped filter, ialah filter yang digunakan untuk membuat impedansi yang rendah untuk spektrum frekuensi harmonisa yang lebar. Filter ini terdiri dari sebuah komponen kapasitor, sebuah komponen induktor, dan sebuah komponen resistor. High pass damped filter memiliki nilai Quality factor yang rendah, hal ini bertujuan supaya filter memiliki impedansi yang rendah pada jangkauan frekuensi yang lebar. 2. Metode Penelitian 2.1 Jadwal Penelitian Penelitian dengan judul analisis harmonik dan perancangan high pass damped filter pada sistem distribusi standar IEEE 13 bus dengan menggunakan software ETAP power station 7.0 dapat diselesaikan dalam waktu 4 bulan yaitu mulai dari studi literatur, pembuatan proposal sampai analisa data dan pembuatan laporan. 2.2 Tahap Studi Literatur Studi literatur adalah sebuah kajian penulis yang berisi tentang referensi-referensi berkaitan dengan penelitian ini berupa buku, skripsi, jurnal publikasi, tesis dan karya-karya ilmiah lainya. Dalam tahap ini penulis mengkaji karya-karya ilmiah yang 2
berhubungan dengan analisis harmonik dan perancangan high pass damped filter. 2.3 Pengumpulan Data Data single line diagram sistem distribusi standar IEEE 13 bus yang berupa data beban, data saluran, data kapasitor, dan data beban nonlinier yang digunakan sebagai penyebab harmonik diperoleh dari dosen pembimbing. 2.4 Tahap Pengolahan Data Analisis dan perancangan filter akan disimulasikan menggunakan software ETAP Power Station 7.0 terhadap data yang sudah ada. Langkah-langkah yang akan dilakukan sebagai berikut : a) Menentukan tegangan fundamental sistem distribusi. b) Melakukan analisis aliran daya untuk mengamati nilai dan arah aliran daya pada sistem distribusi. c) Melakukan analisis harmonik dengan menambahkan beban nonlinier pada salah satu bus pada sistem distribusi. d) Merancang high pass damped filter. e) Memasang high pass damped filter pada sistem distribusi dan menganalisis hasil simulasinya. f) Membuat kesimpulan. 2.5 Alat dan Bahan a. Hardware dan Software Perlengkapan pendukung yang dipakai dalam penelitian ini adalah perangkat keras komputer yang digunakan untuk menjalankan software ETAP Power Station 7.0 dengan memory 236 MB, 1024 MB RAM, processor Intel (R) Atom (TM) CPU N2600 1,60 GHz. Software ETAP Power Station 7.0 ini digunakan untuk analisis harmonik maupun analisis aliran beban pada sistem distribusi. b. Gambaran sistem distribusi standar IEEE 13 bus. Penelitian ini menggunakan sistem distribusi standar IEEE 13 bus dengan terpasang 2 kapasitor pada bus 611, dan bus 675 seperti ditunjukkan pada gambar 1. Sistem distribusi standar IEEE 13 bus termasuk sistem asimetris, yaitu sistem distribusi yang pada tiap-tiap bus memiliki konfigurasi fasa yang berbeda. Ada yang menggunakan sistem 3 fasa 3 kabel, sistem 3 fasa 4 kabel, sistem 1 fasa 2 kabel dan sistem 2 fasa 3 kabel. Gambar 1 menunjukkan sistem distribusi standar IEEE 13 bus. 10 bus terletak pada sistem distribusi 4,16 kv dan 2 bus (611 dan 652) terletak pada sisi tegangan 2,4 kv, dan 1 bus (634) pada tegangan 0,48 KV dari trafo gardu induk yang disuplai dari bus 633. Sistem distribusi ini bertipe radial dengan 2 penyulang utama. Gambar 1. Diagram garis tunggal sistem distribusi standar IEEE 13 bus. 2.6 Flowchart penelitian 3
3. Hasil dan Pembahasan a. Simulasi Analisis Aliran Beban Simulasi aliran beban pada sistem distribusi standar IEEE 13 bus dilakukan saat sistem dalam kondisi normal, sehingga dapat mengetahui nilai tegangan, arus, dan arah aliran daya yang mengalir pada sistem distribusi standar IEEE 13 bus. Hal itu b. Simulasi Analisis Harmonik Tanpa Beban Nonlinier Simulasi analisis harmonik ini diawali pada saat sistem distribusi standar IEEE 13 bus tanpa beban nonlinier. Hal ini bertujuan untuk mengetahui bentuk gelombang sinusoidal saat sistem belum terdistorsi harmonik, sehingga dilakukan untuk membandingkan perbedaan yang terjadi saat sistem distribusi tanpa beban nonlinier dengan dibebani beban nonlinier, atau saat tanpa filter harmonik dengan terpasang high pass damped filter seperti terlihat pada gambar 2.0 dapat diketahui perbandingan bentuk gelombangnya saat tanpa beban nonlinier dengan saat penambahan beban nonlinier seperti terlihat pada gambar 3.0. Gambar 2. Diagram satu garis load flow analysis Gambar 3. Diagram satu garis harmonic analysis tanpa beban nonlinier 4 4
Gambar 4 Tabel nilai distorsi harmonik tegangan dan arus pada sistem distribusi tanpa beban nonlinier. Spektrum harmonik : Gambar 5. Tabel nilai rugi-rugi sebelum adanya beban nonlinier Bentuk gelombang sinusoidal : Gambar 6. Spektrum harmonik dan bentuk gelombang sinusoidal 5
Dari hasil simulasi analisis harmonik tanpa beban nonlinier pada sistem distribusi standar IEEE 13 bus dapat diketahui bahwa hampir tidak terkandung distorsi harmonik seperti terlihat pada gambar 4, kalaupun ada nilai THD yang keluar itu di sebabkan karena kejenuhan inti besi pada peralatan distribusi yang menggunakan mesin-mesin listrik seperti transformator, generator dan motor listrik. Pada sistem distribusi tersebut bentuk gelombang sinusoidal tidak mengalami cacat gelombang atau masih berupa gelombang sinusoidal murni seperti terlihat pada gambar 6. Sistem distribusi standar IEEE 13 bus tersebut hanya terdapat beban linier saja, sehingga bentuk gelombang arusnya tetap sinusoidal dan hanya terjadi pergeseran sudut fasa pada beban yang bersifat induktif. Sehingga total rugi-rugi daya nyata pada sistem distribusi sebesar 37.2 kw seperti ditunjukan pada gambar 5. c. Simulasi Analisis Harmonik dengan Adanya Beban Nonlinier Simulasi analisis harmonik dilanjutkan dengan menambahkan beban nonlinier pada sistem distribusi standar IEEE 13 bus sebagai penyebab timbulnya sumber arus harmonik. Beban nonlinier ini dipasang pada salah satu bus pada sistem distribusi tersebut. Simulasi analisis harmonik dengan penambahan beban nonlinier ini bertujuan untuk mengetahui distorsi harmonik yang terkandung dan pengaruh dari pemasangan beban nonlinier terhadap kestabilan dan bentuk gelombang dari tegangan dan arus pada sistem distribusi standar IEEE 13 bus tersebut. Gambar 7. Diagram satu garis harmonic analysis dengan adanya beban nonlinier 6 6
Gambar 8. Tabel nilai distorsi harmonik tegangan dan arus pada sistem distribusi dengan adanya beban nonlinier Spektrum Harmonik Gambar 9. Tabel nilai rugi-rugi setelah adanya beban nonlinier Bentuk gelombang sinusoidal : Gambar 10. Spektrum harmonik dan bentuk gelombang sinusoidal 7
Pemasangan beban nonlinier UPS_2_Rockwell 6P VFD pada bus 675, telah menyebabkan nilai distorsi harmonik melebihi di atas standard. Sebelum pemasangan beban nonlinier, nilai dan adalah 0 % seperti ditunjukan pada gambar 4. Sesudah pemasangan beban nonlinier nilai Pada bus 675 mengalami kenaikan dari 0% menjadi 6.59 % serta nilai naik dari 0% menjadi 20 %, bus 671 nilai mengalami kenaikan dari 0% menjadi 5.91 % sedangkan nilai naik dari 0% menjadi 10.11 %, dan bus 692 nilai mengalami kenaikan dari 0% menjadi 5.91 % sedangkan nilai naik dari 0% menjadi 20% seperti ditunjukan pada gambar 8. Ketiga bus tersebut memiliki nilai harmonik yang cukup tinggi dibandingkan dengan bus yang lainnya, hal ini disebabkan ketiga bus tersebut dekat dengan sumber harmonik. d. Perancangan high pass damped Filter Perancangan high pass damped filter bertujuan untuk meredam harmonisa yang timbul akibat adanya beban nonlinier, selain itu filter ini juga bisa digunakan untuk memperbaiki faktor daya karena adanya komponen kapasitor. Pada perancangan high pass damped filter diperlukan proses identifikasi terhadap orde harmonik yang akan dieliminasi. Nilai harmonik tegangan terbesar digunakan untuk menentukan harmonik dari orde berapa yang akan difilter. Setelah menentukan orde harmonik yang akan dieliminasi, langkah selanjutnya menentukan nilai daya reaktif yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya, menentukan nilai kapasitansi kapasitor, menentukan nilai reaktor filter, dan menentukan nilai resistor. Perhitungan nilai komponen high pass damped filter pada orde 5 adalah sebagai berikut : Perhitungan pada Bus 675. Orde5 Daya reaktif untuk memperbaiki faktor daya : P = 1176 kw = Arc cos 0.84 = = Arc cos 0.98 = = P ( - ) = 1176 kw (tan - tan ) = 517.44 kvar Kapasitor : = = = = 33.44 Ω = = C = C = C = F Induktor : Orde yang akan diredam adalah orde 5, sehingga dipilih frekuensi tuning sebesar 300 Hz tetapi diberi toleransi sebesar 1% sehingga menjadi 297 Hz yang bertujuan untuk memperoleh performa filter yang maksimal. L = L = L = L = 0.0037 H = 2πfL =(2)(3.14)(60)(0.04) = 1.39 Ω Resistor : Faktor kualitas filter (Q) jenis high pass damped filter mempunyai nilai yang rendah, maka dipilih Q = 20 Q = R = Q. = (20)(1.39) = 27.8 Ω 8 8
e. Simulasi Analisis Harmonik dengan Adanya Beban Nonlinier dan Pemasangan high pass damped Filter Pemasangan high pass damped filter bertujuan untuk mengurangi distorsi harmonik pada sistem distribusi yang disebabkan adanya beban nonlinier yang merupakan sumber harmonik. High pass damped filter dipasang pada bus yang dekat dengan sumber harmonik atau bus yang mempunyai nilai distorsi harmonik paling tinggi, hal ini diharapkan agar mampu meredam harmonik yang timbul, sehingga nilai distorsi harmonik berada pada standardnya seperti terlihat pada gambar 12.0 yang menunjukan bahwa nilai distorsi harmonik telah di bawah nilai standarnya. Gambar 11. Tabel nilai komponen penyusun high pass damped filter Gambar 12. Diagram satu garis harmonic analysis dengan adanya beban nonlinier dan pemasangan high pass damped filter 9 9
Gambar 13. Tabel nilai rugi-rugi setelah adanya beban nonlinier dan pemasangan high pass damped filter Gambar 14. Tabel nilai distorsi harmonik tegangan dan arus pada sistem distribusi dengan adanya beban nonlinier dan pemasangan high pass damped filter Spektrum Harmonik Bentuk gelombang sinusoidal : Gambar 15. Spektrum harmonik dan bentuk gelombang sinusoidal pada sistem distribusi standar IEEE 13 bus dengan adanya beban nonlinier dan pemasangan high pass damped filter 10 10
Setelah pemasangan high pass damped filter pada sistem distribusi diketahui bahwa nilai distorsi harmonik mengalami penurunan dan sudah memenuhi standar. Pada bus 675 nilai mengalami penurunan dari 6.56% menjadi 3.34 % sedangkan nilai turun dari 20% menjadi 9.71 %, bus 671 nilai mengalami penurunan dari 5.91 menjadi 3.02 % sedangkan nilai turun dari 10.11 menjadi 4.84 %, dan bus 692 nilai mengalami penurunan dari 5.91% menjadi 3.02 % sedangkan nilai turun dari 20% menjadi 9.71 % seperti terlihat pada gambar 14. Orde 5 dipilih sebagai frekuensi yang difilter sehingga nilai harmonik tegangannya mengalami penurunan. Bentuk spektrum gelombang sinusoidalnya juga menjadi lebih halus dibandingkan sebelum difilter. Setelah dilakukan pemasangan high pass damped filter dengan adanya beban nonlinier pada sistem distribusi maka rugi-rugi daya nyata mengalami penurunan dari 95.1 kw menjadi 86.4 kw seperti terlihat pada gambar 13. 4. Kesimpulan Berdasarkan hasil analisis harmonik dan perancangan high pass damped filter pada sistem distribusi standar IEEE 13 bus dengan menggunakan software ETAP Power Station 7.0 dapat disimpulan bahwa : a. Pemasangan beban nonlinier UPS Rockwell 6P_1 VFD pada sistem distribusi standar IEEE 13 bus menyebabkan nilai distorsi harmonik mengalami kenaikan dari 0% menjadi 6.56% dan meningkatnya rugi-rugi daya dari 37.2 KW menjadi 95.1KW. Bus yang dekat dengan sumber harmonik (bus 671 dan bus 692) atau bus yang terbebani dengan beban nonlinier (bus 675) mempunyai nilai distorsi harmonik yang paling tinggi diantara bus yang lain seperti bus 675 memiliki THDv 6.56% serta THDi 20%, bus 671 memiliki THDv 5.91% serta THDi 10.11%, dan bus 692 memiliki THDv 5.91% serta THDi 20%. b. High pass damped filter yang dipasang pada bus 675 untuk meredam harmonik orde 5 yang merupakan orde harmonik yang paling tinggi, sehingga terjadi penurunan nilai distorsi harmonik yang memenuhi batas standarnya seperti pada bus 675 THDv turun dari 6.56% menjadi 3.34% serta THDi turun dari 20% menjadi 9.71%, bus 671 THDv turun dari 5.91% menjadi 3.02% serta THDi turun dari 10.11% menjadi 4.84%, bus 692 THDv turun dari 5.91% menjadi 3.02% serta THDi turun dari 20% menjadi 9.71% dan mengurangi rugi-rugi daya dari 95.1 KW menjadi 86.4 KW. c. Filter pasif jenis high pass damped filter memiliki Quality factor yang rendah sehingga baik untuk meredam orde harmonik yang tinggi sekaligus dapat meredam juga orde rendah seperti orde 5 dan orde 7. d. Pemasangan high pass damped filter pada sistem distribusi standar IEEE 13 bus setelah adanya beban nonlinier menjadikan bentuk gelombang yang cacat karena distorsi harmonik menjadi lebih halus dan hampir menyerupai sinus murni, serta spektrum harmonik yang tinggi menjadi turun dibawah nilai standar THD tegangan dan arus. DAFTAR PUSTAKA Dugan, Roger.C and McGranaghan, Mark F. 2003. Electrical Power Systems Quality. New York : McGraw-Hill. Jaelani, Mukhsin Akhsin. 2008, Analisis Distorsi Harmonik pada Sistem Distribusi dan Reduksinya Menggunakan Tapis Harmonik dengan Bantuan ETAP Power Station 4.0, Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Muhammadiyah Surakarta. Pujiantara, Margo. 2003. Penyempurnaan Desain Filter Harmonisa menggunakan kapasitor Eksisting pada Pabrik Soda kaustik Serang Baten, JAVA Journal of Electrical and Electronics Engineering, Vol. 1, No. 2, Oct 2003, ISSN 1412-8306. Sopyandi, Endi. 2009. Perancangan Single Tuned Filter Untuk Mereduksi Harmonik Arus Dengan Simulasi 11
Program ETAP Power Station 5.0.3, Fakultas Teknik Jurusan Elektro, Universitas Indonesia. William D. Stevenson. Jr, Kamal Idris. 1994. Analisis Sistem Tenaga Listrik, Edisi Keempat. Jakarta: Erlangga. Zuhal. 1995. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta: PT Gramedia Pustaka Utama. 12 12