Perancangan Filter Optimum Untuk Mengatasi Efek Distorsi Harmonisa Pada Gardu
Traksi Kereta Rel Listrik (KRL) Stasiun Pasar Minggu
Irshadi Izhhar
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI, Depok
E-mail : [email protected]
Abstrak
Kereta Rel Listrik (KRL) disuplai tegangan 1500 V DC oleh gardu traksi yang didalamnya terdapat komponen penyearah.
Penyearah ini memproduksi harmonisa yang menyuntikkan arus menuju sumber tegangan menengah 20kV PLN dan dapat
menyebabkan rusaknya peralatan listrik. Hasil pengukuran distorsi harmonisa pada kubikel 20kV/1.2kV gardu traksi
menunjukkan THD maksimum tegangan sebesar 1.87 % dan THD arus maksimum sebesar 63.38 %. THD maksimum tegangan
masih dibawah standar IEEE (<5%) sedangkan THD maksimum arus berada diatas standar IEEE (<20%). Untuk mengurangi efek
distorsi harmonisa arus, dirancang filter pasif untuk memfilter harmonisa orde ke-5,ke-7, dan ke-11. Hasil simulasi dengan ETAP
7.0.0 didapatkan hasil rancangan filter pasif optimum dapat mengurangi THD arus hingga rata-rata 6.24%.
Designing Optimum Filter to Reduce The Effects Of Harmonic Distortion at Pasar Minggu Traction Substation of Electric
Train
Abstract
Electric train is supplied with 1500 V DC by traction substation which have components of the rectifier . This rectifier produces
harmonics that inject harmonics current toward source 20kV PLN and cause the damage of electric utility. Measurement results of
harmonic distortion at 20kV/1.2kV cubicles in traction substation shows that the maximum value of THD-v is 1.87% and the
maximum value of THD-i is 63.38 %. THD-v is below IEEE standard (< 5 %) and THD-i is above the IEEE standard (<20 %). In
order to reduce the effects of harmonics currents, passive filter is designed to filter harmonics for 5th
, 7th
, and 11th
order. ETAP
7.0.0 simulation result obtains the optimum design of passive filter that can reduce THD-i to 6.24% average.
Keywords : Electric train, traction substation, harmonic, filter
I. PENDAHULUAN
Kereta Rel Listrik (KRL) merupakan salah satu alat
transportasi masal yang dapat diandalkan untuk mengatasi
kemacetan yang terjadi di ibukota. Sumber energi listrik
diperoleh dari PLN yang kemudian didistribusikan dari
gardu-gardu menuju KRL melalui sistem gardu traksi.
Gardu traksi yang dipakai menggunakan jenis arus searah
DC, sehingga dalam gardu tersebut harus dipasang
konverter yang mengubah dari arus bolak-balik AC menjadi
arus searah DC. Namun terdapat masalah yang dapat
ditimbulkan oleh konverter tersebut yakni arus dan tegangan
harmonisa. Keberadaan harmonisa tersebut dapat
menurunkan kualitas daya listrik dan pemanasan lebih pada
peralatan gardu. Sebagai contoh, kebakaran yang terjadi
pada gardu traksi KRL-UI Depok tahun 2009 dapat
dimungkinkan karena efek harmonisa. Untuk mengatasi
harmonisa tersebut perlu dipasang filter. Skripsi ini
dimaksudkan untuk mengetahui besar distrosi harmonisa
dan merancang jenis filter yang harus dipasang pada setiap
gardu traksi KRL. Kontribusinya diharapkan menjadi
pertimbangan untuk diterapkan sehingga terjadi
peningkatkan efisiensi dan kestabilan sistem catu daya KRL
di Indonesia.
II. HARMONISA, FILTER, KERETA REL LISTRIK
(KRL) DAN GARDU TRAKSI
A. Pengertian dan Produksi dari Harmonisa
Harmonisa adalah kelipatan bilangan bulat dari
frekuensi fundamental yang turut mempengaruhi sistem
tenaga listrik. Ellis (2001) menyatakan bahwa harmonisa
merupakan cara matematis untuk menyatakan suatu
gangguan pada bentuk gelombang tegangan atau arus.
Adanya komponen harmonisa pada suatu sistem tenaga
listrik dapat menyebabkan distorsi pada bentuk tegangan
atau arus yang dapat mempengaruhi kualitas sistem tenaga
listrik.
Suatu gelombang yang terdistorsi dapat dinyatakan
sebagai jumlah dari beberapa gelombang sinusoid dengan
frekuensi yang berbeda-beda. Ketika gelombang-gelombang
tersebut identik antara suatu siklus dengan siklus lainnya,
maka gelombang tersebut dapat dinyatakan sebagai jumlah
dari beberapa gelombang sinusoidal dimana frekuensi dari
tiap sinusoidnya merupakan kelipatan dari gelombang pada
frekuensi fundamentalnya. Perwujudan dari konsep ini dapat
dilihat pada gambar 1.
Perancangan filter..., Irshadi Izhhar, FT, 2014
Gambar 1. Representasi Fourier dari gelombang terdistorsi
Total Harmonic Distortion (THD) merupakan
jumlah distorsi dari semua komponen harmonisa dari
tegangan atau arus. THD biasanya merupakan perbandingan
terhadap nilai dari nilai rms pada komponen fundamental
arus atau tegangan. Semakin besar nilai THD, maka distorsi
yang terjadi semakin besar dan dapat mengakibatkan
perubahan bentuk gelombang yang semakin besar. THD
dirumuskan secara matematis sebagai berikut.
dimana
Mh = Tegangan / Arus Harmonisa ke-h
M1 = Tegangan / Arus Fundamental
B. Standar IEEE Untuk Harmonisa
Institute of Electrical and Electronics Engineers
(IEEE) memiliki standar sendiri yang mengatur batas
maksimal dari harmonisa yang dapat diterima untuk suatu
sistem tenaga listrik. Standar tersebut tertuang dalam IEEE
Standard 519-1992. Berikut adalah standar yang diterapkan
IEEE untuk harmonisa pada sistem tenaga listrik.
1. Standar untuk distorsi tegangan
Tabel 1. Standar distorsi harmonisa untuk tegangan
2. Standar untuk distorsi arus
Tabel 2. Standar distorsi harmonisa untuk arus
C. Filter Harmonisa
Tujuan utama dari perancangan filter harmonisa
adalah untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih
frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus.
1). Filter Pasif
Aplikasi filter pasif merupakan metode penyelesaian
yang efektif dan ekonomis untuk masalah harmonisa. Filter
pasif sebagian besar didesain untuk memberikan bagian
khusus untuk mengalihkan arus haromonisa yang tidak
diinginkan dalam sistem tenaga. Filter pasif banyak
digunakan untuk mengkompensasi kerugian daya reaktif
akibat adanya harmonisa pada sistem instalasi. Rangkaian
filter pasif terdiri dari komponen R, L, dan C. Komponen
utama yang terdapat pada filter pasif adalah kapasitor dan
induktor. Kapasitor dihubungkan seri atau paralel untuk
memperoleh sebuah total rating tegangan dan kVAR yang
diinginkan. Sedangkan induktor digunakan dalam rangkaian
filter dirancang mampu menahan selubung frekuensi tinggi
yaitu efek kulit (skin effect).
Gambar 2. Rangkaian Filter Pasif Dalam Sistem
Gambar 2.6 memperlihatkan beberapa jenis filter pasif
yang umum beserta konfigurasi dan impedansinya. Tipe
filter pasif yang paling umum digunakan adalah single
tuned. Filter umum ini biasa digunakan pada tegangan
rendah. Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang
rendah. Sebelum merancang suatu filter pasif, maka perlu
diketahui besarnya kebutuhan daya reaktif pada sistem.
Daya reaktif sistem ini diperlukan untuk menghitung
besarnya nilai kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki
sistem tersebut.
Gambar 3. Jenis-jenis Filter Pasif
2). Filter Aktif
Filter Aktif adalah suatu perangkat elektronik yang
dapat memperbaiki kualitas daya yang dikirimkan dari
sumber ke beban. Menurut Izhar et al, pemakaian filter aktif
pada sistem tenaga listrik lebih fleksibel daripada filter pasif
karena dari segi penggunaan dan unjuk kerja (performance)
filter aktif lebih ekonomis.
Filter aktif biasanya menggunakan perangkat switching
berupa pengatur modulasi lebar pulsa tegangan atau arus
yang disebut Pulse Witdh Modulation Voltage Source
Inverter (PWM VSI) atau Current Source Inverter (PWM
CSI) yang dihubungkan ke level sistem tegangan rendah dan
Perancangan filter..., Irshadi Izhhar, FT, 2014
juga tegangan tinggi tergantung pada permasalahan kualitas
daya.
Menurut Akagi, pada dasarnya filter aktif dalam sistem
tenaga dibagi dalam 2 topologi yaitu topologi secara paralel
disebut Shunt Active Filter dan secara seri disebut Series
Active Filter.
D. Kereta Rel Listrik DC dengan Motor DC
Kereta Rel Listrik (KRL) DC dengan motor DC
merupakan konfigurasi yang diterapkan di Indonesia karena
KRL yang beroperasi di Indonesia kebanyakan merupakan
bekas Jepang dimana disana menerapkan transmisi DC
dengan motor DC. Gambar-gambar dibawah ini
menunjukkan tampak luar komponen-komponen KRL yang
dapat kita jumpai di Indonesia.
Berbagai komponen kereta listrik AC dengan motor DC
terdiri dari :
1. Pantograf
2. Pemutus Tenaga (Circuit Breaker)
3. Konverter DC-DC
4. Motor Traksi DC
Gambar 4 Bagian KRL DC dengan Motor DC di Indonesia (1)
E. Gardu Traksi
Kereta Rel Listrik (KRL) merupakan kereta yang
sumber daya utamanya menggunakan listrik. Daya listrik
diperoleh dari jaringan tegangan menengah (20 kV) PLN
atau penyedia layanan listrik lainnya. Jaringan tegangan
menengah ini masuk ke gardu traksi sebelum disalurkan ke
KRL. Kemudian daya listrik yang dibutuhkan oleh KRL ini
akan disuplai menggunakan kawat konduktor yang
membentang di bagian atas sepanjang rute KRL tersebut
yang disebut dengan sistem catenary atau LAA (Listrik
Aliran Atas). Sistem catenary dapat dibagi berdasarkan jenis
arus listrik yang mengalir yaitu:
1. Arus searah (DC) : 750 V DC, 1500 V DC, 3000
V DC
2. Arus bolak-balik (AC) : 15 kV AC 16,7 Hz dan
25 kV AC 50 Hz
Adapun sebagai contoh sistem LAA di DKI Jakarta
menggunakan sistem arus searah 1500 VDC yang disuplai
dari gardu traksi (traction substation). Gardu traksi pertama
kali dibangun di Indonesia pada tahun 1925/1926 di
Jatinegara dan Ancol dengan menggunakan sistem
konfigurasi motor dan generator buatan General Electric.
Saat ini, sistem gardu traksi menggunakan teknologi
penyearahan silicon rectifier. Selain menggunakan silicon
rectifier, untuk dapat mensuplai LAA dengan tegangan 1500
VDC, sistem gardu traksi menggunakan beberapa panel dan
komponen seperti: panel 20 kV, panel 6 kV, trafo 20
kV/1200 V, Silicon rectifier, DC Switchgear, trafo 20 kV/6
kV, trafo 20 kV/380 V, trafo 6 kV/380 V, panel AC/DC,
baterai dan charger, panel interkoneksi, panel VCP, serta
panel LBD. Spesifikasi dari setiap komponen ini bergantung
dari daya yang disuplai gardu traksi. Di daerah DKI Jakarta,
gardu traksi biasanya memiliki daya bervariasi antara 1500
kW, 3000 kW, atau 4000 kW.
Skema sistem gardu traksi dapat dilihat pada gambar
berikut.
Gambar 5. Sistem Gardu Traksi
III. METODE DAN ANALISIS HASIL PENGUKURAN
HARMONISA PADA GARDU TRAKSI
A. Identifikasi Masalah dan Hipotesa Awal
Kereta Rel Listrik (KRL) membutuhkan suplai listrik
arus searah dengan tegangan sebesar 1500 V yang diperoleh
dari penyearahan tegangan arus bolak-balik 1200 V
sehingga dibutuhkan konverter atau penyearah pada gardu
traksi. Penyearah menggunakan Silicon Rectifier yang
merupakan komponen elektronika daya. Sifat utama dari
komponen elektronika daya adalah kemampuannya untuk
mengubah bentuk gelombang keluaran. Harmonisa sendiri
terjadi apabila terdapat beban non-linier, yaitu beban yang
menyebabkan perubahan bentuk arus tidak sama dengan
bentuk gelombang tegangannya. Karena komponen
elektronika mengubah bentuk gelombang keluaran maka
besar kemungkinan akan timbul harmonisa. Selain itu pada
gardu juga terdapat penyearah dengan keluaran 110 V untuk
mengisi baterai, kebutuhan utilitas dan kontrol. Oleh karena
itu, maka gardu traksi KRL hampir dapat dipastikan bisa
menghasilkan harmonisa. Karakteristik harmonisa yang
akan menyuntikkan arus menuju sumber atau berlawanan
arah dengan arus normal akan menyebabkan sistem
tegangan menengah 20kV PLN yang menyuplai gardu ini
juga ikut terdistorsi. Oleh karena itu, dengan menyelidiki
THD-F di kubikel suplai kereta dan kubikel kontrol tersebut
akan dapat dirancang filter yang dapat mengurangi efek
distorsi harmonisa terhadap sistem dan peralatan listrik
gardu traksi.
Perancangan filter..., Irshadi Izhhar, FT, 2014
B. Diagram Alir Pengukuran Harmonisa
Gambar 6. Diagram alir Pengukuran
C. Spesifikasi Alat Ukur yang Digunakan
Peralatan pengukuran yang digunakan dalam
pengambilan data ini adalah Power Analyzer Hioki seri
3169-20. Alat ini bisa menampilkan dan menyimpan nilai
dari parameter-parameter kualitas daya yang dibutuhkan
yang meliputi tegangan (V), arus (I), frekuensi (f), daya
kompleks (S), daya nyata (P), daya reaktif (Q), konsumsi
energi, dan faktor daya (PF). Selain itu, alat ini juga mampu
mengukur komponen harmonisa arus dan tegangan sampai
dengan orde ke-40. Data hasil pengukuran disimpan di PC
card dan dengan mudah dapat ditransfer ke komputer
melalui universal card reader. Dengan bantuan program
“HIOKI 9625 Power Measurement Support Software”, hasil
pengukuran dapat dilihat di komputer untuk kemudian
dianalisis. Dengan software diatas kita bisa melihat data
hasil pengukuran berupa ringkasan data yang dicuplik
berdasarkan interval waktu yang ditentukan, grafik
gelombang, dan spektrum untuk memudahkan analisis.
Berikut gambar alat yang digunakan dalam pengukuran :
Gambar 7. Hioki 3169-20
D. Metode Pengukuran Harmonisa pada Kubikel
20kV/1,2kV
Pengukuran ini dilakukan untuk mengetahui besarnya
distorsi harmonisa pada kubikel yang menyuplai silicon
rectifier. Pada pengukuran ini, alat ukur dipasang pada
metering atau sisi sekunder transformator tegangan (PT) dan
transformator arus (CT). Hal ini dikarenakan keterbatasan
rating pengukuran tegangan dan arus alat ukur. Pengukuran
dilakukan selama 7 hari non-stop dengan interval
pencuplikan data 1 menit untuk mendapatkan data yang
valid dikarenakan beban kereta yang berubah setiap saatnya.
Skema rangkaian pengukuran dapat dilihat seperti pada
gambar.8 berikut ini:
Gambar 8. Rangkaian Pengukuran Kubikel 20kV/1,2kV
E. Metode Pengukuran Harmonisa pada Kubikel
20kV/0,4kV
Pengukuran ini dilakukan untuk mengetahui besarnya
distorsi harmonisa pada kubikel yang menyuplai AC/DC
Panel atau panel yang digunakan untuk kebutuhan utilitas,
kontrol dan pengisian baterai.
Gambar 9. Rangkaian Pengukuran Kubikel 20kV/0,4kV
F. Harmonisa di Kubikel Penyearah 20kV/1.2kV
Berdasarkan hasil pengukuran selama 7 hari, diperoleh
data Total Harmonic Distortion (THD) maksimum tegangan
sebagai berikut :
Tabel 3 THD-V Kubikel 20kV/1.2kV
Hari Parame
ter
Fasa R Fasa S Fasa T
THD-
v (%) Jam
THD-
v (%) Jam
THD-
v (%) Jam
Senin
Maksim
um 1.76 23:20 1.67 5:45 1.71 23:20
Rata-
rata 1.45 1.43 1.27
Selasa
Maksim
um 1.68 5:55 1.65 5:55 1.58 0:25
Rata-
rata 1.46 1.45 1.29
Rabu
Maksim
um 1.73 5:25 1.73 5:40 1.64 5:40
Rata-
rata 1.46 1.43 1.31
Kamis
Maksim
um 1.79 5:35 1.77 5:55 1.62 12:05
Rata-
rata 1.52 1.51 1.34
Jumat
Maksim
um 1.87 7:15 1.81 7:15 1.75 7:15
Rata-
rata 1.47 1.49 1.3
Studi Literatur
Pengukuran
kubikel
20kV/1,2kV
Pengukuran
kubikel
20kV/0,4kV
Rancang Filter Analisis
Data Harmonisa
Kesimpulan
Perancangan filter..., Irshadi Izhhar, FT, 2014
Sabtu
Maksim
um 1.81 8:40 1.76 6:15 1.63 6:20
Rata-
rata 1.46 1.51 1.27
Mingg
u
Maksim
um 1.78 16:00 1.67 6:15 1.53 16:00
Rata-
rata 1.38 1.38 1.13
Mengacu pada standar distorsi harmonisa IEEE 512-
1992, besar distorsi harmonisa maksimum yang terjadi
masih dibawah standar yaitu < 5%. Oleh karena itu, belum
perlu adanya tindak lanjut terhadap gangguan harmonisa
tersebut.
Sedangkan untuk harmonisa arus, diperoleh data Total
Harmonic Distortion (THD) maksimum arus sebagai berikut
:
Tabel 4. THD-I Kubikel 20kV/1.2kV
Hari Parame
ter
Fasa R Fasa S Fasa T
THD-i
(%) Jam
THD-i
(%) Jam
THD-i
(%) Jam
Senin
Maksim
um 47.33 15:20 48.32 11:15 38.54 11:15
Rata-
rata 18.13 17.6 15.92
Selasa
Maksim
um 46.29 10:55 48.32 14:20 36.88 14:50
Rata-
rata 18.02 17.67 15.83
Rabu
Maksim
um 52.47 16:35 47.95 9:20 38.44 16:35
Rata-
rata 19.07 18.5 16.74
Kamis
Maksim
um 51.67 14:35 46.33 7:40 38.64 14:20
Rata-
rata 19.73 19.33 17.22
Jumat
Maksim
um 39.91 0:15 39.98 3:40 33.32 3:30
Rata-
rata 24.66 24.22 21.05
Sabtu
Maksim
um 63.38 10:30 50.92 11:20 45.91 10:30
Rata-
rata 20.49 19.95 17.17
Minggu
Maksim
um 42.01 19:45 46.73 12:40 34.01 12:40
Rata-
rata 17.12 17.12 15.37
Gambar 10. Gelombang THD-i (Sabtu)
Dari tabel 4, dapat dilihat bahwa distorsi harmonisa
arus diluar standar IEEE yaitu >20% dengan tingkat distorsi
terbesar terjadi pada hari sabtu sebesar 63.38% pada pukul
10:30 WIB.
1). Orde Penyumbang Harmonisa Terbanyak
Berikut ini orde penyumbang harmonisa terbanyak
saat harmonisa maksimum terjadi per hari :
Tabel 5. THD-V Maksimum Kubikel 20kV/1.2kV
Orde
IHD-V (%)
Senin Selasa Ra
bu
Ka
mis Jumat
Sabt
u Minggu
2 0.01 0.03 0.0
3 0.02 0.02 0.02 0.02
3 0.26 0.25 0.2
9 0.25 0.25 0.29 0.25
4 0.01 0.01 0.0
2 0.01 0.01 0.01 0.01
5 1.55 1.53 1.5
6 1.67 1.42 1.55 1.54
6 0.02 0.01 0.0
2 0.01 0.01 0.02 0
7 0.57 0.35 0.5
8 0.48 0.06 0.09 0.27
8 0.01 0 0.0
1 0.01 0 0.02 0.01
9 0.07 0.09 0.0
8 0.09 0.09 0.06 0.05
10 0.01 0 0.0
1 0 0.01 0.01 0
11 0.5 0.47 0.2
9 0.32 0.87 0.64 0.56
12 0.01 0 0 0.01 0.01 0.01 0
13 0.21 0.24 0.1
4 0.03 0.79 0.57 0.56
14 0 0.01 0.0
1 0.01 0 0.01 0
15 0.02 0.02 0 0.02 0.01 0.03 0.02
16 0.01 0 0.0
1 0.01 0 0 0.01
17 0.06 0.03 0.0
7 0.06 0.1 0.12 0.14
18 0 0 0 0 0 0 0
19 0.03 0.02 0.0
7 0.09 0.09 0.09 0.14
20 0 0.01 0 0 0.01 0 0
THD-V 1.76 1.68 1.7
3 1.79 1.87 1.81 1.78
Tabel 6. THD-I Maksimum Kubikel 20kV/1.2kV
Orde
IHD-I (%)
Senin Selasa Rabu Kamis Juma
t
Sabt
u
Mingg
u
2 1.99 4.06 7.22 6.85 2 9.96 3.55
3 13.33 15.56 14.81 13.89 20.15 8.76 22.02
4 0.75 2.48 4.32 5.68 1 9.47 0.27
5 16.14 25.01 18.81 23.05 19.99 29.4
4 24.94
6 1.83 3.38 5.09 5.47 0.67 4.23 0.56
7 36.69 29.64 38.46 33.98 24.71 42.7
2 18.95
8 1.51 2.59 0.77 4.73 0.29 2.33 0.43
9 2.03 2.11 3.42 1.92 1.24 0.93 2.44
10 0.3 1.32 1.67 1.52 0.4 4.2 0.34
11 15.5 12.68 18.82 19.35 9.9 25.7
4 12.09
12 0.58 0.88 2.49 0.87 0.55 2.76 0.39
13 9.88 9.48 10.45 12.48 4.85 13.0
5 6.7
14 0.42 1.23 1.34 2.21 0.28 3.23 0.2
15 2.56 3.37 2.45 3.76 0.81 3.71 2.3
Perancangan filter..., Irshadi Izhhar, FT, 2014
16 0.07 0.84 0.7 1.22 0.96 1.63 0.6
17 5.51 4.43 6.68 3.88 3.15 7.66 3.91
18 0.12 0.68 0.88 1.54 0.72 0.42 0.44
19 2.75 1.04 2.86 2.54 1.32 2.75 1.51
20 0.82 0.66 0.67 0.76 0.97 1.54 0.14
TH
D-I 47.33 46.29 52.47 51.67 39.91
63.3
8 42.01
Berdasarkan data pada tabel 6, orde-orde penyumbang
harmonisa arus terbanyak adalah pada orde ke-5, ke-7, dan
ke-11. Oleh karena itu, filter pasif dapat dirancang untuk
memotong harmonisa yang ditimbulkan oleh frekuensi 250
Hz, 350 Hz, dan 550 Hz.
G. Konsumsi Daya Kubikel Penyearah 20kV/1.2kV
Tabel 9. Data Daya Pengukuran
Parameter /
Hari
Se
nin
Sel
asa
Ra
bu
Ka
mis
Jum
at
Sa
btu
Min
ggu
rata-
rata
P
(kW
)
Mak
s
30
03
232
6
20
51
255
2
385
2.4
331
5 2082
2740.
20
rata-
rata
38
4 355
31
8 349
300.
7 282 353
334.5
3
Min 18 18 19 18 19.7 19 20 18.81
Q
(kV
AR)
Mak
s 8 8 9 8 7.4 7 7 7.77
rata-
rata
-
41
2
-
380
-
34
0
-
371
-
307.
2
-
299 -379
-
355.4
6
Min
-
30
80
-
248
1
-
22
12
-
269
8
-
370
3.7
-
334
6
-
2254
-
2824.
9
S
(kV
A)
Mak
s
43
02
340
1
30
17
371
3
534
4
471
0 3068
3936.
43
rata-
rata
56
7 523
46
9 513
436.
5 414 520
491.7
9
Min 19 19 20 19 20.3 20 20 19.61
Tabel 9 diatas merupakan data hasil pengukuran
daya aktif (P), daya reaktif (Q) dan daya semu (S) dalam
kondisi minimum, maksimum, dan rata-rata disetiap
harinya. Pada bagian daya reaktif, lambang negatif (-)
menunjukkan beban dalam keadaan lagging sedangkan
lambang positif (+) menunjukkan beban dalam keadaan
leading.
IV. PERANCANGAN FILTER HARMONISA DAN
SIMULASI PERANCANGAN FILTER PASIF
A. Perancangan Filter Pasif
Filter pasif yang akan dirancang pada skripsi ini adalah
jenis single tuned. Idealnya sebuah filter single tuned hanya
akan bekerja mereduksi distorsi harmonisa pada satu orde
saja, yaitu pada orde kerjanya. Oleh karena itu hal pertama
yang dibutuhkan dalam merancang filter ini adalah data
acuan level distrosi harmonisa tegangan (THD-v) dan
harmonisa arus (THD-i) maksimum di setiap ordenya pada
kubikel penyearah 20kV/1.2kV dan kubikel 20kV/0.4kV.
Data acuan ini dibutuhkan agar filter tidak bekerja di orde
kerja yang salah yang tentu mengakibatkan kurang
optimalnya kinerja filter.
Kriteria untuk menentukan orde kerja filter lebih
baik jika didasarkan pada nilai harmonisa tegangan pada
setiap orde. Hal ini disebabkan karena lebih mudah
menjamin berada dalam batas tegangan yang layak daripada
membatasi tingkat arus akibat adanya perubahan impedansi
jaringan AC. Akan tetapi bila dilihat dari tabel 5 dan tabel 6,
orde penyumbang THD-v terbanyak adalah pada orde ke-5
dan orde penyumbang THD-i terbanyak adalah pada orde
ke-5, ke-7, dan ke-11. Oleh karena THD-v masih dibawah
standar IEEE, maka lebih baik merancang filter untuk
mengatasi THD-i yaitu filter pasif single tuned orde ke-5,
orde ke-7, dan ke-11.
Untuk mendapatkan kinerja filter optimum, maka
perancangan spesifikasi filter pasif single tuned orde ke-5,
orde ke-7, dan ke-11 dilakukan berdasarkan profil daya per
hari. Kemudian akan disimulasikan dan ditentukan
spesifikasi filter berdasarkan profil daya hari yang memiliki
kinerja paling baik atau dapat menekan distorsi harmonisa
sekecil mungkin.
Gambar 11. Diagram Alir Perancangan Fiter Pasif
Sebelum melakukan perancangan filter single tuned
maka terlebih dahulu mengetahui karakteristik impedansi
filter single tuned. Kemudian mengetahui IHD arus pada bus
yang akan dipasang filter. Setelah itu langkah berikutnya
adalah menentukan harmonisa arus terbesar yang dihasilkan
oleh orde n, kemudian orde n dengan nilai harmonisa arus
terbesar dipilih sebagai frekuensi untuk tuning.
Setelah melakukan proses identifikasi terhadap
orde yang akan dilakukan eliminasi, langkah selanjutnya
adalah menentukan nilai faktor daya. Nilai faktor daya dapat
ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut :
Sebagai contoh, perhitungan perancangan filter
berdasarkan profil daya hari jumat akan dibahas.
Sebagaimana terlihat dari tabel 9, penggunaan daya semu
Mulai
Tentukan orde penyumbang harmonisa terbanyak
Tentukan QVAR untuk
perbaikan Power Factor
Cari besar Xc dan C
Cari besar XL dan L sesuai
orde yang ingin difilter
Selesai
Perancangan filter..., Irshadi Izhhar, FT, 2014
(S) maksimum terjadi pada hari jumat adalah 5344 kVA
dengan P sebesar 3852,4 Watt. Dari persamaan diatas
diperoleh nilai faktor daya pada saat kondisi daya semu (S)
maksimum adalah sebesar 0,72. Pendekatan pada kondisi
maksimum diambil untuk mengantisipasi besarnya daya
reaktif yang dibutuhkan dalam sistem.
Dengan penambahan kompensator daya reaktif
kepada sistem sebesar 1730 kVAR, filter ini akan
memperbaiki faktor daya sistem dari 0,72 menjadi 0,89.
Berikut persamaaannya :
√[
]
√[
]
Perhitungan filter single tuned orde ke-5 :
Berdasarkan besarnya daya reaktif yang dibutuhkan
kemudian ditentukan impedansi dari kapasitor dengan
persamaan berikut :
Dengan besar rating tegangan adalah 1,2kV dan
rating daya reaktif adalah 1,730 MVAR, didapatkan
impedansi kapasitor sebesar 0,832 . Besar kapasitansi
kapasitor dapat dihitung dengan persamaan berikut :
Dengan f = frekuensi fundamental 50Hz
Dari perhitungan didapatkan kapasitansi sebesar
3826 μF. Setelah itu ditentukan besar impedansi reaktor
filter dengan persamaan berikut :
Dengan n = orde harmonisa tegangan yang difilter (disetel sedikit dibawah
ordenya)
Seperti yang telah dibahas sebelumnya bahwa orde
harmonisa yang akan difilter adalah orde 5. Penyetelan
diturunkan sedikit dibawahnya yakni pada nilai 4,9. Hal ini
perlu dilakukan sebagai toleransi komponen filter untuk
mencegah resonansi yang terjadi dalam sistem pada
frekuensi yang mengganggu. Berdasarkan perhitungan
didapatkan impedansi reaktor filter sebesar 0,034
Besar induktansi induktor dapat dihitung dengan
persamaan berikut :
Dengan f = frekuensi fundamental 50Hz
Dari perhitungan didapatkan induktansi sebesar
0,11 mH. Dengan melakukan perhitungan yang sama untuk
semua profil daya per hari didapatkan hasil perancangan
filter single tuned orde 5 seperti terlihat pada tabel dibawah
ini:
Tabel 10. Spesifikasi filter orde 5 hasil rancangan
Hari QVAR n = 5
XC (Ω) XL (Ω) C (μF) L (mH)
Senin 1541.971 0.933 0.038 3410 0.12
Selasa 1289.589 1.116 0.046 2852 0.15
Rabu 1161.862 1.239 0.051 2570 0.16
Kamis 1389.545 1.036 0.043 3073 0.14
Jumat 1730.051 0.832 0.034 3826 0.11
Sabtu 1647.549 0.874 0.036 3644 0.11
Minggu 1186.779 1.213 0.050 2625 0.16
Perhitungan yang sama juga dilakukan untuk
menentukan spesifikasi filter single tuned orde 7, dan orde
11. Hasil perancangan filter untuk orde 7 dan orde 11 untuk
semua profil daya per hari dapat dilihat pada tabel 11 dan
tabel 12 dibawah ini :
Tabel 11. Spesifikasi filter orde 7 hasil rancangan
Hari QVAR n = 7
XC (Ω) XL (Ω) C (μF) L (mH)
Senin 1541.971 0.933 0.019 3410 0.062
Selasa 1289.589 1.116 0.023 2852 0.074
Rabu 1161.862 1.239 0.026 2570 0.082
Kamis 1389.545 1.036 0.021 3073 0.069
Jumat 1730.051 0.832 0.017 3826 0.055
Sabtu 1647.549 0.874 0.018 3644 0.058
Minggu 1186.779 1.213 0.025 2625 0.081
Tabel 12. Spesifikasi filter orde 11 hasil rancangan
Hari QVAR n = 11
XC (Ω) XL (Ω) C (μF) L (mH)
Senin 1541.971 0.933 0.007 3410 0.025
Selasa 1289.589 1.116 0.009 2852 0.029
Rabu 1161.862 1.239 0.010 2570 0.033
Kamis 1389.545 1.036 0.008 3073 0.027
Jumat 1730.051 0.832 0.007 3826 0.022
Sabtu 1647.549 0.874 0.007 3644 0.023
Minggu 1186.779 1.213 0.010 2625 0.032
B. Simulasi Hasil Rancangan Menggunakan ETAP Power
Station 7.0.0
Adapun tahapan-tahapan simulasi filter single tuned
hasil rancangan digambarkan secara umum dengan diagram
alir pada gambar 4.2 sebagai berikut :
Perancangan filter..., Irshadi Izhhar, FT, 2014
Gambar 12. Diagram Alir Simulasi
Pertama-tama yang dilakukan adalah memodelkan
rangkaian gardu traksi LAA. Permodelan ini berdasarkan
data single line diagram dan spesifikasi peralatan atau
komponen pada gardu sehingga didapatkan rangkaian
simulasi mendekati kondisi di lapangan sesungguhnya.
Rangkaian Gardu LAA Stasiun Pasar Minggu pada simulasi
ETAP Power Station 7.0.0 disusun secara sederhana seperti
pada gambar 13 berikut ini :
Gambar 13. Rangkaian Simulasi
Oleh karena penyearah yang terdapat pada ETAP
Power Station 7.0.0 tidak tersedia merk Siemens dan agar
didapatkan besar distorsi harmonisa yang sama dengan
kondisi sebenarnya, maka perlu dibuat harmonic library
baru sebanyak 7 buah yang karakteristiknya sesuai dengan
karakteristik THD-i hasil pengukuran per hari di lapangan.
Seperti terlihat pada gambar 14, data IHD masing-masing
orde saat pengukuran (contoh hari jumat) dimasukkan ke
masing-masing orde pada library yang baru.
Gambar 14. Penambahan Harmonic Library
Setelah itu, harmonic analysis dilakukan untuk
mengetahui apakah besar THD-I pada sistem sama dengan
THD-I saat pengukuran.
1). Sebelum Pemasangan Filter
Setelah simulasi harmonic analysis dilakukan
didapatkan nilai THD-i pada kubikel 20kV/1.2kV seperti
terlihat pada tabel 13 dibawah ini :
Tabel 13. THD-i Simulasi Sebelum Pemasangan Filter
Hari THD-i (%)
Real Simulasi
Senin 47.33 43.36
Selasa 46.29 41.47
Rabu 52.47 47.95
Kamis 51.67 47.15
Jumat 39.91 33.04
Sabtu 63.38 60.13
Minggu 42.01 33.76
Bentuk gelombang dan spektrum harmonisa
(contoh hari sabtu) dapat dilihat pada gambar 15 dan 16
berikut ini :
Gambar 15. Gelombang THD-i Kubikel 20kV/1.2kV Sabtu (Sebelum
Pemasangan Filter)
Gambar 16. Spektrum THD-i Kubikel 20kV/1.2kV Sabtu (Sebelum
Pemasangan Filter)
Mulai
Data Single Line
Diagram
Permodelan
Sistem
Penambahan
Harmonic Library
Load Flow
Analysis
Harmonic
Analysis
Tentukan QVar
THD OK?
Selesai
No
Yes
Desain Single
Tuned Filter
Perancangan filter..., Irshadi Izhhar, FT, 2014
4.2.2 Setelah Pemasangan Filter
Filter single tuned orde 5,7, dan 11 berdasarkan
profil daya per hari yang telah dirancang sebelumnya
kemudian diimplementasikan pada rangkaian simulasi
dengan memvariasikan 7 buah library harmonic (yang
merepresentasikan THD-i per hari).
Gambar 4.7 Rangkaian Setelah Pemasangan Filter
Gambar 17. Gelombang THD-i Kubikel 20kV/1.2kV Sabtu (Sesudah
Pemasangan Filter Profil Daya Sabtu)
Gambar 18. Spektrum THD-i Kubikel 20kV/1.2kV Sabtu (Sesudah
Pemasangan Filter Profil Daya Sabtu)
Tabel 14. THD-i Simulasi Setelah Pemasangan Filter
Spesifik
asi Filter
THD-i (%) Rat
a-
Rat
a
Seni
n
Selas
a Rabu
Kam
is
Jum
at
Sabt
u
Mingg
u
Senin 4.09 8.34 14.83 14.07 4.11 20.47 7.29 10.4
5
Selasa 12.2
8 25.05 44.55 42.27 12.34 61.46 21.90
31.4
0
Rabu 31.0
5 63.34
112.6
4
106.8
7 31.2
155.3
9 55.38
79.4
1
Kamis 7.18 14.64 26.03 24.7 7.22 35.92 12.8 18.3
5
Jumat 2.45 4.98 8.85 8.41 2.46 12.22 4.35 6.24
Sabtu 3 6.11 10.86 10.31 3.01 15 5.34 7.66
Minggu 26.8
5 54.78 97.41 92.42 26.98
134.3
8 47.89
68.6
7
Berdasarkan tabel 14 diatas, dapat dilihat
spesifikasi filter berdasarkan profil daya hari jumat lah yang
paling optimum untuk digunakan karena dapat menekan
harmonisa setiap hari rata-rata hingga 6.24%. Spesifikasi
filter profil daya jumat atau filter optimum dapat dilihat
pada tabel 15 berikut ini :
Tabel 15. Spesifikasi Filter Optimum Hasil Rancangan
Spesifikasi Orde 5 Orde 7 Orde 11
L 0.11 mH 0.055 mH 0.022 mH
XL 0.034 0.017 0.007
C 3826 μF 3826 μF 3826 μF
XC 0.832 0.832 0.832
QVAR 1730 kVAR 1730 kVAR 1730 kVAR
Rating
tegangan 1,2kV 1,2kV 1,2kV
Q factor 80 80 80
V. KESIMPULAN
Dari skripsi yang telah disusun dapat diperoleh kesimpulan
sebagai berikut:
1. Hasil pengukuran harmonisa pada kubikel penyearah
20kV/1.2kV didapatkan THD-v maksimum sebesar
1.87% (sesuai standar IEEE) dan THD-i maksimum
sebesar 63.38% (melebihi standar IEEE).
2. Besarnya distosi harmonisa berfluktuasi setiap harinya
dengan besar THD-v maksimum terjadi pada hari
jumat dan THD-i maksimum terjadi pada hari sabtu.
3. Orde penyumbang harmonisa tegangan terbanyak
adalah orde ke-5 sedangkan orde penyumbang
harmonisa arus terbanyak adalah orde ke-5, orde ke-7
dan orde ke-11.
4. Pemasangan filter single tuned orde ke-5, orde ke-7
dan orde ke-11 yang dirancang berdasarkan profil daya
hari jumat dapat mengurangi harmonisa arus hingga
rata-rata THD-i sebesar 6.24% per hari.
REFERENSI
Victor Widiputra. "Analisis Efek Harmonisa Terhadap
Penyimpangan Pembacaan Alat Ukur kWh Meter Analog
Pelanggan Rumah Tangga PLN ". Skripsi, Program Sarjana
Jurusan Teknik Elektro Universitas Indonesia, Depok, 2014,
hal 4-14.
Sabri . “Perancangan Filter Pasif Untuk Mengatasi
Harmonisa Pada Gardu Penyearahan Pusat Listrik Aliran
Atas - PT KAI Commuter Jabodetabek Indonesia”. Jurnal.
Lab.Sistim Tenaga dan Distribusi Elektrik STEI ITB
Bandung,Indonesia.
Kurnia Refandra.“Perencanaan High Pass dan Single
Tuned Filter Sebagai Filter Harmonisa Pada Sistem
Kelistrikan British Oil Company Gresik, Jawa Timur”.
Jurnal. Program Sarjana Jurusan Teknik Elektro Institut
Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.
Bestion Alzari. "Rancang Bangun Single Tuned Filter
Sebagai Alat Pereduksi Harmonik Untuk Karakteristik
Beban Rumah Tangga 2200VA ". Skripsi, Program Sarjana
Jurusan Teknik Elektro Universitas Indonesia, Depok, 2011,
hal 52-54.
Lokasi pemasangan filter
Perancangan filter..., Irshadi Izhhar, FT, 2014
“Gardu Traksi (Traction Substation)”. Artikel
Karyawan. 3 Desember 2012.
<http://www.bumn.go.id/len/berita/294/>
I Nengah Suweden ; I Wayan Rinas. “Analisa
Penanggulangan Thd Dengan Filter Pasif Pada Sistem
Kelistrikan Di Rsup Sanglah”. Jurnal. Teknik Elektro
Universitas Udayana. 2009.
Dugan, Roger.C and McGranaghan, Mark.F. Electrical
Power Systems Quality. New York : McGraw-Hill. 2003,
hal 93-120.
Chapman, Stephen J. 2005. Electric Machinery
Fundamental.USA: Mc.Graw Hill.
Japan International Agency Japanese National
Railways Railway Electrification Asociation. Railway
Electrification, the 2nd Edition.
Irshadi Izhhar. " Sistem Kelistrikan Kereta Rel Listrik
(KRL) ". Seminar, Program Sarjana Jurusan Teknik Elektro
Universitas Indonesia, Depok, 2014.
Endi Sopyandi. “Perancangan Single Tuned Filter
Untuk Mereduksi Harmonik Arus Dengan Simulasi Program
Etap Powerstation 5.0.3”. Jurnal. Teknik Elektro Universitas
Indonesia, Depok.
Perancangan filter..., Irshadi Izhhar, FT, 2014