Simulasi dan Analisis Fenomena Resonansi Akibat Harmonisa Orde Genap dengan Menggunakan Software ETAP Nanang Joko Aris Wibowo 2206 100 006 Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro, ITS, Surabaya 60111, INDONESIA Email:nng_dearly@elect-eng.its.ac.id Abstract: This paper discuss about resonance phenomenon caused by even harmonics and its effects which is usually ignored or neglected. The effects caused by harmonics are line and transformer losses become higher, increase voltage drop, reduce power factor and produce asymmetrical factor. Asymmetrical factor is the relative difference between positive peak voltage magnitude and negative peak voltage magnitude. Asymetrical factor can be found only if the source contains even harmonics. Both passive filter installation to reduce harmonics effect and capacitor bank installation for power factor improvement need a careful and thorough calculation to avoid resonance phenomenon. genap yang tidak dihasilkan oleh sumber harmonisa orde ganjil [6]. 2. PEMODELAN SISTEM TENAGA Sistem kelistrikan yang digunakan untuk simulasi adalah sistem kelistrikan distribusi industri 13 bus seimbang standar IEEE seperti ditunjukkan dalam gambar 1. Keywords: even harmonics, resonance, filter, capasitor bank, asymmetrical factor 1. PENDAHULUAN Pada sistem tenaga listrik ideal, energi listrik disalurkan dalam frekuensi tunggal yang konstan dan pada level tegangan yang konstan pula [1]. Tetapi dengan adanya perkembangan beban listrik yang semakin besar dan kompleks, terutama penggunaan beban tidak linier, akan menimbulkan perubahan bentuk gelombang menjadi tidak sinusoidal yang biasanya ditunjukkan dalam komponen harmonisa [2]. Distorsi harmonisa akan mengakibatkan kerugian pada sistem jaringan, di antaranya adalah terjadi resonansi paralel maupun seri. Salah satu penyebabnya adalah pemasangan kapasitor shunt pada jaringan yang digunakan untuk kompensasi daya reaktif. Terjadinya resonansi ini akan meningkatkan tegangan harmonisa yang cukup besar pada bus kapasitor yang bisa merusak kapasitor itu sendiri dan komponen jaringan lainnya [3]. Pada sistem tenaga listrik AC, harmonisa orde genap biasanya tidak muncul sehingga hanya harmonisa orde ganjil yang diperhitungkan [4]. Pada praktiknya, harmonisa orde genap (harmonisa orde empat) dapat menimbulkan pemanasan berlebih pada reaktor yang dipasang pada filter harmonisa. Selain itu, dampak lain yang disebabkan oleh harmonisa orde genap adalah pemanasan transformator akibat saturasi rangkaian magnetik [5]. Faktor asimetri merupakan pengaruh harmonisa orde Gambar 1 Sistem Kelistrikan Distribusi Industri 13 Bus Seimbang Standar IEEE Untuk menghasilkan harmonisa orde genap, sumber harmonisa yang digunakan adalah tungku busur api (arc furnace). Resonansi dapat muncul akibat adanya pemasangan kapasitor bank atau filter. Dalam tugas akhir ini kapasitor bank dan filter di pasang pada salah satu bus, yaitu pada bus 03:MILL-1 (13.8 kv). Besarnya kapasitas kapasitor bank adalah 3400 kvar. Nilai ini dipilih karena dapat memunculkan resonansi harmonisa orde genap, yaitu orde empat pada frekuensi 240 Hz. Resonansi yang terjadi adalah resonansi paralel akibat pemasangan kapasitor bersifat group compensation. Filter di sini juga digunakan untuk memunculkan resonansi harmonisa orde genap. Filter di pasang single-tuned dengan kapasitas C 1700 kvar (3 fasa) dan nilai reaktansi induktif L 1
adalah 3Ω. Arc furnace dipasang pada load1, load2 dan load7 sebagai beban industri. 3. FENOMENA RESONANSI Resonansi paralel terjadi bila arus harmonisa menghadapi suatu impedansi tinggi. Impedansi tinggi dapat disebabkan oleh resonansi pada frekuensi harmonisa tersebut. Pada gambar 2.a diperlihatkan impedansi rangkaian paralel LC sebagai fungsi frekuensi dan pada gambar 2.b diperlihatkan suatu sistem tenaga yang berpeluang mengalami resonansi paralel [7]. Dimisalkan L s adalah induktansi sistem yang dilengkapi dengan kapasitor kompensasi faktor daya C s. Apabila frekuensi resonansi jaringan paralel L s dan C s dekat dengan frekuensi arus harmonisa I n, maka dapat terjadi penguatan arus yang bersirkulasi antara L s dan C s. Arus osilasi yang tinggi ini dapat menyebabkan terbangkitnya tegangan tinggi sehingga menimbulkan cacat tegangan bus Point of Common Coupling (PCC). Resonansi juga dimungkinkan terjadi jika komponen-komponen resonansi adalah induktansi sistem L s dengan kapasitansi beban C L, atau antara induktansi beban L L (dari Z L ) dengan kapasitor kompensasi C s. mengalir pada kapasitor apabila tegangan mengandung harmonisa walaupun dalam magnitudo yang kecil. impedansi (a) Impedansi rangkaian LC seri sebagai fungsi frekuensi v n atau i n ~ f res transformator atau saluran kapasitor kompensasi VAR (b) Sistem yang berpeluang mengalami resonansi seri Gambar 3 Resonansi seri frekuensi beban impedansi 4. HASIL SIMULASI DAN ANALISIS Gambar 4 sampai gambar 6 adalah hasil simulasi diagram impedansi pada 13 bus sebelum dan setelah terjadi peristiwa resonansi dengan menggunakan software ETAP, dilihat dari magnitudo pada masing-masing bus. f res frekuensi (a) Impedansi rangkaian LC paralel sebagai fungsi frekuensi bus PCC sumber L C I n Z L S S harmonisa beban C L (b) (b) Sistem yang berpeluang mengalami resonansi paralel Gambar 2 Resonansi paralel Resonansi seri terjadi apabila sumber harmonisa menghadapi suatu impedansi rendah. Impedansi yang terbentuk dari induktansi saluran atau induktansi bocor transformator serta kapasitor kompensasi faktor daya berpeluang menimbulkan rangkaian resonan. Pada gambar 3.a diperlihatkan impedansi rangkaian seri sebagai fungsi frekuensi dan pada gambar 3.b diperlihatkan diagram suatu sistem tenaga yang berpeluang mengalami resonansi seri [7]. Resonansi seri berpeluang menyebabkan arus yang besar Gambar 4 Magnitudo impedansi pada sistem asli Dari diagram impedansi masing-masing bus pada gambar 4 dapat disimpulkan bahwa pada sistem asli tidak terjadi peristiwa resonansi. 2
Tabel 1 sampai dengan tabel 3 menunjukkan rugi-rugi daya aktif, reaktif dan kompleks pada saluran dari hasil simulasi. Pada tabel 1 ditunjukkan rugi-rugi daya saluran sebelum terjadi resonansi akibat harmonisa orde genap. Tabel 2 dan tabel 3 masing-masing menunjukkan rugi- rugi daya saluran setelah terjadi resonansi akibat pemasangan kapasitor bank dan filter. Tabel 1 Rugi-rugi saluran sistem asli Saluran Cable1 0.7 1.4 1.565 Cable4 0.1 0.1 0.141 Cable6 0.0 0.0 0.000 Cable8 0.2 0.2 0.283 Cable17 0.0 0.0 0.000 Total 1.0 1.7 1.989 Gambar 5 Magnitudo impedansi pada sistem setelah dipasang kapasitor bank Dari gambar 5 dapat disimpulkan bahwa setelah dipasang kapasitor bank terjadi peristiwa resonansi pada beberapa bus, yaitu pada bus 01:69-1, 11:T4 SEC, 19:T7 SEC, 29:T11 SEC, 39:T3 SEC, 49:RECT, 100:UTIL-69. Resonansi paralel terjadi pada frekuensi 240 Hz yang merupakan frekuensi harmonisa orde empat. Gambar 6 Magnitudo impedansi setelah dipasang filter Dari gambar 6 dapat disimpulkan bahwa setelah dipasang filter L-C terjadi peristiwa resonansi pada beberapa bus, yaitu pada bus 01:69-1, 03:MILL-1, 05:FDR F, 06:FDR H, 26:FDR G, 50:GEN1, 51:AUX, 100:UTIL-69. Resonansi paralel terjadi pada frekuensi 240 Hz yang merupakan frekuensi harmonisa orde 4. Tabel 2 Rugi-rugi saluran setelah pemasangan kapasitor bank Saluran Cable1 0.4 0.7 0.806 Cable4 0.1 0.1 0.141 Cable6 0.0 0.0 0.000 Cable8 0.2 0.2 0.283 Cable17 0.0 0.0 0.000 Total 0.7 1.0 1.230 Tabel 3 Rugi-rugi saluran setelah pemasangan filter Saluran Cable1 0.6 1.2 1.342 Cable4 0.1 0.1 0.141 Cable6 0.0 0.0 0.000 Cable8 0.2 0.2 0.283 Cable17 0.0 0.0 0.000 Total 0.9 1.5 1.766 Pemberian kompensasi pada sistem menimbulkan fenomena resonansi sehingga rugirugi kabel dan saluran meningkat. Tabel 1 sampai tabel 3 menunjukkan bahwa pemasangan kapasitor bank pada sistem memberikan perbaikan, sehingga losses berkurang. Pada kasus ini kompensasi diberikan secara kelompok yaitu pada bus 03:MILL-1. Pemberian kompensasi tersebut dapat mengurangi losses sistem, termasuk yang diakibatkan oleh harmonisa dan resonansi. Pengaruh resonansi dan harmonisa orde genap tidak terlalu signifikan karena resonansi yang terjadi adalah resonansi paralel sehingga arus yang mengalir kecil akibat impedansi meningkat menjadi sangat besar. Tabel 4 sampai tabel 6 menunjukkan rugirugi daya aktif, reaktif dan kompleks pada transformator dari hasil simulasi. Pada tabel 4 ditunjukkan rugi-rugi daya transformator sebelum terjadi resonansi. Tabel 5 dan tabel 6 masing-masing menunjukkan rugi- rugi daya transformator setelah 3
terjadi resonansi akibat pemasangan kapasitor bank dan filter. Tabel 4 Rugi-rugi transformator sistem asli Trafo T1 0.0 0.0 0.000 T2 3.2 59.5 59.586 T3 0.0 0.3 0.300 T4 8.5 60.2 60.797 T5 0.0 0.3 0.300 T6 0.0 0.2 0.200 T7 2.9 33.3 33.426 Total 14.6 153.8 154.409 Tabel 5 Rugi-rugi transformator setelah pemasangan kapasitor bank Trafo T1 0.0 0.0 0.000 T2 2.9 53.8 53.878 T3 0.0 0.3 0.300 T4 8.6 61.2 61.801 T5 0.0 0.3 0.300 T6 0.0 0.3 0.300 T7 3.0 33.8 33.933 Total 14.5 149.7 150.512 Tabel 6 Rugi-rugi saluran setelah pemasangan filter Trafo T1 0.0 0.0 0.000 T2 3.2 58.9 58.987 T3 0.0 0.3 0.300 T4 8.6 61.1 61.702 T5 0.0 0.3 0.300 T6 0.0 0.3 0.300 T7 3.0 33.8 33.933 Total 14.8 154.7 155.522 Tabel 4 sampai tabel 6 menunjukkan bahwa pemasangan filter pada sistem menimbulkan fenomena resonansi sehingga rugi-rugi trafo meningkat. Pada tugas akhir ini filter dipasang pada bus 03:MILL-1. Timbulnya resonansi tersebut dapat menyebabkan losses sistem bertambah. Sebelum dipasang filter rugi-rugi daya aktif, reaktif dan kompleks masing-masing adalah 14.6 kw, 153.8 kvar, 154.409 kva. Rugi-rugi daya ini meningkat menjadi 14.8 kw, 154.7 kvar, 155.522 kva setelah pemasangan filter. Tabel 7 menunjukkan penurunan tegangan pada saluran dan transformator dari hasil simulasi. Penurunan tegangan sebelum dan setelah terjadi resonansi pada masing-masing saluran dan transformator tidak sama, tergantung pada bus mana saluran dan transformator terhubung. Tabel 7 Penurunan tegangan pada saluran dan transformator Peralatan Vdrop Sistem Vdrop Kapasitor Vdrop Filter asli Bank Cable1 0.06 0.02 0.05 Cable4 0.01 0.01 0.01 Cable6 0.00 0.00 0.00 Cable8 0.02 0.02 0.02 Cable17 0.00 0.00 0.00 T1 0.00 0.00 0.00 T2 0.75 0.02 0.05 T3 0.06 0.06 0.06 T4 2.93 2.95 2.95 T5 0.07 0.07 0.07 T6 0.08 0.08 0.08 T7 0.81 0.81 0.81 Total 4.79 4.04 4.1 Berdasarkan tabel 7 di dapat ditarik kesimpulan bahwa pemasangan filter dan dan kapasitor bank dapat mengurangi voltage drop pada saluran. Pemasangan kapasitor bank dan filter mengakibatkan terjadinya peristiwa resonansi paralel sehingga arus menjadi kecil akibat impedansi yang meningkat. Peningkatan arus akibat harmonisa lebih kecil dibandingkan dengan peningkatan kapasitas saluran karena pemasangan kapasitor bank. Perbaikan penurunan tegangan akibat pemasangan kapasitor bank hanya 0.75%. Tabel 8 menunjukkan tegangan pada pada bus dari hasil simulasi. Tegangan sebelum dan setelah terjadi resonansi pada masing-masing bus dipengaruhi oleh arus dan reaktansi saluran yang menghubungkan bus. Tabel 8 Perbandingan tegangan bus sebelum dan setelah terjadi resonansi Bus Vbus Sistem asli Vbus Kapasitor Bank Vbus Filter 01:69-1 100.00 100.00 100.00 03:MILL-1 99.25 100.01 99.95 05:FDR F 99.24 100.00 99.94 06:FDR H 99.23 99.99 99.94 11:T4 SEC 99.16 99.92 99.86 19:T7 SEC 98.43 99.18 99.12 26:FDR G 99.25 100.01 99.95 29:T11 SEC 99.18 99.94 99.89 39:T3 SEC 96.31 97.05 96.99 49:RECT 99.18 99.94 99.88 50:GEN1 99.31 100.03 100.00 51:AUX 99.31 100.03 100.00 100:UTIL-69 100.00 100.000 100.00 4
Tabel 8 menunjukkan bahwa pemberian kompensasi berupa kapasitor bank menunjukkan perbaikan performansi tegangan pada tiap busnya. Namun dalam kasus ini penempatan kapasitornya kurang tepat karena ada beberapa bus setelah diberi kompensasi tegangannya menjadi overvoltage. Oleh karena itu, untuk lebih baiknya penempatan kompensasi diletakkan pada bus yang kritis saja (kompensasi individual), namun kompensasi individual membutuhkan biaya yang lebih mahal karena kompensator yang dibutuhkan lebih banyak. Begitu pula pemasangan filter harmonisa juga menghasilkan perbaikan pada performansi pada tegangan tiap bus, hal ini dikarenakan pada pada filter tersebut terdapat kapasitor yang juga memberikan kontribusi daya reaktif pada sistem, sehingga dengan pemasangan filter harmonisa bisa meningkatkan performansi tegangan sistem. AF = %Vpp - % Vpn AF = x 100% Dimana: AF = Faktor asimetri Vpp = tegangan puncak positif Vpn = tegangan puncak negative Bentuk gelombang tegangan bus sebelum dan setelah pemasangan Arc Furnace pada bus 29:T11 SEC ditunjukkan pada gambar 7 sampai gambar 9. Tabel 9 menunjukkan faktor daya pada bus dari hasil simulasi. Faktor daya sebelum dan setelah terjadi resonansi pada masing-masing bus tidak sama. Tabel 9 Perbandingan faktor daya pada bus sebelum dan setelah terjadi resonansi Bus Faktor Daya Sistem Faktor Daya Kapasitor Faktor Daya Filter asli Bank 01:69-1 92.6 99.8 100.00 03:MILL-1 85.0 95.8 99.95 05:FDR F 83.8 83.8 99.94 06:FDR H 95.9 95.9 99.94 11:T4 SEC 99.4 99.4 99.86 19:T7 SEC 96.2 96.2 99.12 26:FDR G 99.8 99.8 99.95 29:T11 SEC 99.9 99.9 99.89 39:T3 SEC 83.8 83.8 96.99 49:RECT 100.0 100.0 99.88 50:GEN1 72.3 100.0 100.00 51:AUX 99.7 99.7 100.00 100:UTIL-69 92.6 99.8 100.00 Gambar 7 Bentuk gelombang tegangan bus 29:T11 SEC sebelum pemasangan Arc Furnace Dari tabel 9 dapat disimpulkan bahwa pemasangan kapasitor bank dan filter dapat memperbaiki faktor daya. Pemasangan kompensator dalam tugas akhir ini memberikan pengaruh lebih besar dibandingkan dengan pengaruh harmonisa dalam hubungannya dengan faktor daya. Harmonisa yang terjadi adalah orde genap dengan magnitudo kecil.. Faktor asimetri adalah perbedaan relatif antara magnitudo tegangan puncak positif dan magnitudo tegangan puncak negatif terhadap tegangan fundamental. Secara matemartis dapat dituliskan: Gambar 8 Bentuk gelombang tegangan bus 29:T11 SEC setelah pemasangan kapasitor bank 5
Gambar 9 Bentuk gelombang tegangan bus 29:T11 SEC setelah pemasangan filter Dari gambar 7 sampai dengan gambar 9 terlihat bahwa magnitudo tegangan puncak positif dan magnitudo tegangan puncak negatif pada bus 29:T11 SEC tidak sama. Hal ini menunjukkan adanya faktor asimetri pada bus-bus tersebut. Besarnya nilai asimetri bus 29:T11 SEC adalah 8%. 5. KESIMPULAN Dari simulasi dan analisis yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Resonansi terjadi pada frekuensi 240 Hz, sesuai dengan harmonisa orde empat. 2. Resonansi akibat harmonisa orde genap yang disebabkan oleh pemasangan kapasitor bank dan filter memiliki pengaruh yang tidak terlalu signifikan terhadap rugirugi daya saluran dan transformator, penurunan tegangan bus dan faktor daya. 3. Lokasi pemasangan kapasitor bank yang tidak tepat dapat mengakibatkan terjadinya tegangan lebih pada bus. 4. Pengaruh harmonisa orde genap yang paling besar dan merupakan keunikan dibanding harmonisa orde ganjil adalah menyebabkan faktor asimetri senilai 8%. REFERENSI [1] Negara, I Made Yulistya. 1994. Analisa Faktor Daya dalam Kaitannya dengan Penghematan Energi Listrik, Perbaikan Tegangan, Harmonisa, dan Resonansi, serta Transient pada Pabrik II PT Petrokimia Gresik. Surabaya: JTE-FTI ITS. [2] Nelson, John P. 2004. A Better Understanding of Harmonic Distortion in the Petrochemical Industri. IEEE Transactions on Industri Applications, Vol 40 No. 1. [3] Cahyono, Eko dan Adi Soeprijanto. 2008. Analisis Perbaikan Faktor Daya dan Pengaruh Harmonisa Unit 1 PT Eka Timur Raya. Surabaya: JTE-FTI ITS [4] Ashari, Mochamad. 2008. Diktat Mata Kuliah Elektronika Daya. Surabaya: JTE-FTI ITS. [5] Buddingh, Paul C. 2003. Even Harmonic Resonance An Unusual Problem. IEEE Transactions on Industri Apllications, Vol 39 No 4. [6] Barros, Julio. Analysis of Second Order Harmonic Voltage in Power Sistems. IEEE Transactions on Industri Applications. Vol 13,Nov 2007 [7] Penangsang, Ontoseno. 2008. Diktat Mata Kuliah Peningkatan Kualitas Daya Listrik. Surabaya: JTE-FTI ITS. RIWAYAT HIDUP PENULIS Penulis lahir di Bojonegoro pada tanggal 19 Juni 1988 dengan nama Nanang Joko Aris Wibowo. Pada tahun 2006 mendaftarkan diri menjadi mahasiswa Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember dan diterima melalui jalur SPMB. Selama kuliah penulis mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga dan aktif menjadi asisten praktikum Konversi Tenaga Listrik, Mesin Arus Bolak-Balik (Lab Teknik Sistem Tenaga I) dan Elektronika Daya (Lab Teknik Sistem Tenaga II) Laboratorium Konversi Tenaga Listrik. Penulis aktif mengikuti berbagai pelatihan dan kepanitiaan di almamater maupun di luar institut. 6