its-article-8981-margo pujiantara-penyempurnaan desain filter harmonisa menggunakan kapasitor...

18

JAVA Journal of Electrical and Electronics Engineering, Vol. 1, No. 2, Oct 2003, ISSN 1412-8306

PENYEMPURNAAN DESAIN FILTER HARMONISA MENGGUNAKAN KAPASITOR EKSISTING PADA PABRIK SODA KAUSTIK DI SERANG - BANTEN

Margo Pujiantara

Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh November Kampus ITS, Keputih Sukolilo, Surabaya-60111

Abstrak : Pada sistem tenaga listrik AC tiga fasa yang ideal, daya listrik disalurkan dengan frekwensi tunggal 50 Hz dan masing-masing line berbeda fasa 120o. Dengan adanya pembebanan yang non linear pada sistem tenaga listrik maka dapat terjadi distorsi harmonisa dan ketidakseimbangan sistem. Hal ini mengakibatkan turunnya kwalitas sistem tenaga listrik. Salah satu metode untuk memperbaikinya adalah dengan menggunakan filter pasif. Filter pasif yang digunakan dalam paper ini adalah orde dua. Pada paper ini penalaan dilakukan pada frekwensi 550 Hz dan 650 Hz menggunakan kapasitor eksisting (tanpa menambah kapasitor). Filter ini diharapkan dapat menurunkan harmonisa pada frekwensi ke-11 dan ke-13 yang timbul akibat beban konverter 12 pulsa. Kata Kunci : harmonisa, resonansi, damped filter

1. PENDAHULUAN

Harmonisa adalah cacat gelombang yang disebabkan oleh interaksi antara gelombang sinusoidal sistem dengan komponen gelombang lain yang mempunyai frekwensi kelipatan integer dari komponen fundamentalnya. Penyebab harmonisa ini ialah adanya beban nonlinear seperti konverter, tanur busur listrik, UPS dll.tidak sinusoidal. Kerugian akibat pengaruh harmonisa seperti : pemanasan pada peralatan, penurunan faktor daya, masalah resonansi dll.

Untuk meningkatkan kwalitas sistem tenaga listrik maka distorsi harmonisa harus ditekan seminimalnya. Salah satu caranya adalah dengan menggunakan filter harmonisa. Filter harmonisa selain dapat mereduksi distorsi harmonisa juga dapat berfungsi sebagai kompensator reaktif pada frekwensi fundamental.

Beban utama sistem kelistrikan pada perusahaan penghasil soda kaustik yang diamati ialah konverter 12 pulsa yang dipergunakan untuk suplai proses elektrolisis. Akibat dari beban konverter 12 pulsa tersebut harmonisa orde ke-11

dan ke-13 cukup tinggi sehingga perlu untuk dikurangi. Tujuan dari paper ini ialah mereduksi harmonisa orde ke-11 dan ke-13 tanpa manambah kapasitor.

Dalam paper ini dibahas metode untuk mandesain filter harmonisa dengan damper sehingga dapat menurunkan individual harmonic sampai kurang dari 3 % dan mengoptimalkan kondisi eksisting.

2. HARMONISA DAN FILTER

2.1. Pengertian Harmonisa Pada sistem tenaga listrik ac ideal, energi

listrik disalurkan dalam frekuensi tunggal yang konstan dan pada level tegangan yang konstan pula. Tetapi dengan perkembangan beban listrik yang semakin besar dan komplek, terutama penggunaan beban-beban tak linier, akan menimbulkan perubahan pada bentuk gelombangnya. Cacat gelombang yang disebabkan oleh interaksi antara bentuk gelombang sinusoidal sistem dengan komponen gelombang lain lebih dikenal dengan harmonisa, yaitu komponen gelombang lain yang mempunyai frekuensi kelipatan integer dari komponen fundamentalnya seperti ditunjukkan pada gambar 1.

Gambar 1. Bentuk gelombang harmonisa

2.2. Sumber – Sumber Harmonisa

Dalam sistem tenaga listrik AC sumber-sumber harmonisa dapat berasal dari pemakaian beban-beban tak linier seperti :

Konverter Tanur busur listrik Lampu Florence

19


C1

L RC2

Impedansi

Frekuensi, f

R

Selain itu pada beban linier seperti

transformator dan motor-motor induksi juga dapat membangkitkan harmonisa pada jaringan. Tetapi harmonisa yang dibangkitkan cukup kecil jika dibandingkan dengan menggunakan beban-beban tak linier.

2.3. Distorsi Harmonisa Dalam harmonisa khususnya pada sistem tenaga

listrik dipakai istilah Total Harmonic Distortion (THD) yang didefinisikan sebagai persentase total komponen harmonisa terhadap komponen fundamentalnya. Total Harmonic Distortion (THD) dituliskan sebagai :

%1001

21

2 xU

UTHD

k

n ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

=∑

(1)

Dimana : Un = komponen harmonisa U1 = komponen fundamental k = komponen harmonisa maksimum yang

diamati

Perhitungan tersebut tidak sama untuk setiap negara tergantung standar yang dipakai. Dalam paper ini diberikan standar dari IEEE Std. 519-1992 seperti pada tabel 1.

Tabel 1. Limit distorsi tegangan

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

2.4. Filter Harmonisa

Tujuan utama dari filter harmonisa adalah

untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Dengan penambahan filter harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa ke seluruh jaringan dapat ditekan sekecil mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem.

2.5. Perencanaan High Pass Filter Damped Orde Dua

High Pass Filter orde dua diperlihatkan pada gambar 2 yang terdiri atas resistansi yang diparalel dengan induktor/ reaktor dan diseri dengan kapasitor. Impedansi rangkaian :

LjRLjR

CjZ

ωω

ω ++=

.1

LjRLjRx

LjRLjR

Cj ωω

ωω

ω −−

++=

.1

222

22

222

21

LR

RL

LR

LjRCj ω

ω

ω

ωω +

++

+=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛−

++

+=

CLR

LRjLR

RLωω

ω

ω

ω 1222

2

222

22

Pada saat resonansi bagian imajiner = 0 sehingga :

01

0220

20

2=−

+ CLR

LRωω

ω

220

220

2 LRLCR ωω += Sehingga :

0220

2220 =+− RCLRL ωω

a=ω02 ; b=-R2ω0

2C ; c=R2

aacbbL

242

12−±−

=

20

220

220

220

2

122

4)(

ω

ωωω RCRCRL

−±=

20

220

240

420

2

122

4

ω

ωωω RCRCRL

−±=

Agar terdapat nilai L maka dibawah akar harus ≥ 0, sehingga :

04 220

240

4 ≥− RCR ωω

CR

0

2ω

≥

Gambar 2. High Pass Filter orde dua [2].

(a) Gambar rangkaian (b) Kurva impedansi fungsi frekwensi

3. SISTEM KELISTRIKAN

EKSISTING

Sistem kelistrikan eksisting disuplai dari PLN dengan tegangan 150 KV dan kapasitas daya terpasang dari PLN adalah 71,464 MVA. Tegangan 150 kV tersebut diturunkan menjadi 20 kV oleh trafo utama yang berkapasitas 80 MVA.

20


Beban utama pabrik adalah rectifier yang dipakai untuk elektrolisa. Adapun rectifier tersebut adalah rectifier 6 pulsa dan 12 pulsa, sehingga distorsi harmonisa yang dominan adalah harmonisa ke 5, 7, 11 dan 13.

4. HARMONISA DAN PENYEMPURNAAN DESAIN FILTER

4.1. Simulasi Pada Kondisi Eksisting Beban 64%

Asumsi yang dipakai dalam simulasi ini adalah sumber kelistrikan PLN yang merupakan swing bus yang tidak terpengaruh perubahan diluar sistem kelistrikannya.

Tabel 2. Hasil Simulasi Aliran Daya pada kondisi eksisting

SUMMARY OF TOTAL GENERATION , LOADING & DEMAND

Study : MW MVar MVA % PF Swing Bus (es) :

43.802 7.652 44.465 98.5 Lagging

Generator : 0.000 0.000 0.000 100.0 Lagging

Total Demand :

43.802 7.652 44.465 98.5 Lagging

Total Motor Load

43.023 29.607 52.226 82.4 Lagging

Total Static Load :

0.481 -26.013

Apparent Loss :

0.297 4.057

Catatan : Tabel diatas adalah output Load Flow Report dari Software ETAP

Dari simulasi harmonisa dengan Software

ETAP maka diperoleh tingkat distorsi harmonisa pada kondisi eksisting yang terlihat pada tabel 3.

Tabel 3.Tingkat distorsi harmonisa eksisting pada

bus utama

Bus ID Rate

d kV

Voltage Distortion

Fund (%)

RMS(%) THD(%)

100 100.02 2.00

Bus 2 20 99,07 99,11 2,87

Main Sub 20 99,01 99,05 2,88

New Conversion

20 99,01 99,05 2,88

LC4 20 99,01 99,05 2,88

Rsectifier 1 20 98,97 99,02 2,88

Rectifier 2 20 98,98 99,02 2,88

Rectifier 3 20 98,99 99,03 2,88

Rectifier 4 20 99,00 99,04 2,88

Turbo Comp. 20 99,01 99,05 2,88

Cap. 20 Mvar 20 99,03 99,07 2,87

Cap. 5 Mvar 20 99,01 99,05 2,88

Pada kondisi eksisting, distorsi tegangan bus-

bus utama sistem masih dibawah standar IEEE 519-

1992 (Vthd < 5%) kecuali pada bus sumber harmonisa.

Dalam plot dibawah ini ditampilkan plot spektrum pada saatpengukuran dan simulasi pada bus mainsubstation.

0123456789

10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31Harmonisa

Gambar 3. Spektrum harmonisa di main substation dari hasil pengukuran

0123456789

10

1 3 5 7 9 11 13 5 19 25 31H armo nisa

,

Gambar 4. Spektrum harmonisa di main

substation dari hasilsimulasi Dari gambar di atas terlihat bahwa hasil

simulasi sama dengan hasil pengukuran saat eksisting (beban 64%).

4.2. Simulasi Kondisi Eksisting Beban 100 %

Berdasarkan sistim saat pengukuran yang bebannya hanya 64 %, maka sistem dapat dikembangkan ke pembebanan 100 %. Pada kondisi tersebut daya yang diambil dari PLN sebesar 68,78 MW. Hasil simulasinya dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 4. Hasil simulasi aliran daya eksisting beban

penuh


Study : MW Mvar MVA % PF

Swing Bus (es) :

67,618

33,023 75,251 89,9 Lagging

Generator : 0,000 0,000 0,000 100,0 Lagging

Total Demand :

67,618

33,023 75,251 89,9 Lagging

Total Motor Load

66,280

46,056 80,710 82,1 Lagging

Total Static Load

0,453 -24,483

Apparent Loss :

0,885 11,450

Catatan : Tabel diatas adalah output Load Flow Report dari Software ETAP

21


Tingkat distorsi harmonisa diperoleh dengan melakukan simulasi Software ETAP (Harmonic Analysis) dan hasilnya dapat dilihat pada tabel 5 sebagai berikut :

Tabel 5. Tingkat distorsi harmonisa dengan

pembebanan 100% pada bus-bus utama

Bus ID Rated kV

Voltage Distortion Fund (%) RMS(%) THD(%)

Bus PLN 150 100,00 100,05 3,04 Bus 2 20 96,19 96,29 4,51 Main Sub 20 96,08 96,17 4,52 New Conversion 20 96,08 96,17 4,52 LC4 20 96,07 96,17 4,52 Rectifier 1 20 96,03 96,13 4,53 Rectifier 2 20 96,03 96,13 4,53 Rectifier 3 20 96,05 96,15 4,53 Rectifier 4 20 96,05 96,15 4,53 Turbo Comp. 20 96,07 96,17 4,52 Cap. 20 Mvar 20 96,09 96,19 4,51 Cap. 5 Mvar 20 96,08 96,18 4,52

Dari tabel 5 di atas terlihat bahwa total

harmmonic distortion masih di bawah ambang batas [1].

Gambar 5. Plot impedansi bus 20 KV pada

pembebanan 100 %

0123456789

101112131415

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 17 19 23 25 29 31Harmonic orde

Vol

tage

spe

ctru

m (%

)

Gambar 6. Spektrum tegangan bus PLN

eksisting pada pembebanan 100 % Dari gambar di atas menunjukkan bahwa harmonisa ke 11 dan 13 melampaui ambang batas (3%) [1,3], sehingga perlu dirancang filter untuk mereduksi harmonisa tersebut.

4.3. Perencanaan Filter Harmonisa Untuk mendapatkan kualitas tegangan yang

lebih baik maka filter penalaan tunggal pada bus mainsub akan dimodifikasi menjadi filter harmonisa karena terjadi resonansi pada bus-bus tersebut dan distorsi tegangan yang melebihi standar. Jenis filter yang digunakan adalah high pass filter. Sebuah high pass filter adalah rangkaian resistor dan induktansi yang diparalel dan diseri dengan kapasitor. Pada frekuensi penalaan yang telah ditetapkan, rangkaian ini menghasilkan impedansi minimal sehingga menjadi jalan bagi arus-arus harmonisa pada frekuensi penalaan dan arus-arus harmonisa pada frekuensi diatas frekuensi penalaan yang ada di jaringan. Sehingga akan memperbaiki plot impedansi jaringan dan menurunkan tingkat distorsi harmonisa dibawah standar IEEE 519-1992 (VTHD < 5%). Perbandingan nilai filter

MVarMVarMVarx.,F 280992808,70883 ≈== 5246925

11

MVarMVarMVarx,,F 219112191,29116 ≈== 5246220

13

Perhitungan Filter a) Filter F11 / 550 Hz / 2809 kVar di Main Sub 2

Perencanaan filter F11 menggunakan jenis high pass filter orde dua. Nilai komponen kapassitor, resistor dan induktor dapat dihitung sebagai berikut : Kapasitor

Nilai kapasitor dihitung berdasarkan daya reaktif yang dibutuhkan. Dari perhitungan sebelumnya dibutuhkan daya reaktif sebesar 2809 kVar pada tegangan 20 kV.

-92 10 V C f 2 kVar π= dengan :

C = kapasitansi dalam micro farad (uF) f = frekuensi sistem (Hz) V = tegangan jala-jala (Volt)

Nilai komponen kapasitor, resistor dan induktor dapat dihitung sebagai berikut :

F).(.

C μ=π

=−

222.3623315921020000502

2809

Induktor Frekuensi resonansi f0 = 550 Hz sehingga nilai induktor dapat dihitung sebagai berikut :

( )mH3.75

2.1022.3623315 6-==

ω=

220 5501432

11x.xC

L

Resistor Sedangkan untuk mencari resistor dapat digunakan persamaan :

22


( )Ω==

ω= 625.8934894

222.36233152x3.14x55022

0

2C

R

Spesifikasi yang lebih lengkap adalah sebagai berikut : Spesifikasi Kapasitor

Kapasitas kapasitor = 22,36 μF Arus kapasitor pada tegangan sistem dan

frekuensi fundamental : φ sinIV 3 Q CLL= dimana 1=φ sin

A A 20000 3

2.809.000 810981 ≈== ,IC

Tegangan kapasitor pada tegangan base system :

( )-1CC 22,36 81 X I 610502 −π== ....VC

φ= 1V 11530,9CV

φ= 3V 19972.11 Spesifikasi Induktor / Reactor

Induktansi nominal = 3,75 mH Arus nominal filter = 57,77 A

Arus nominal diperoleh dari simulasi Circuit Maker. Spesifikasi Resistor

Resistansi nominal = 25,89 Ohm Rating daya resistor = 321,1 W

Rating daya diperoleh dari simulasi Circuit Maker

b) Filter F13 / 650 Hz / 2191 kVar di Main Sub 2.

Perencanaan filter F13 menggunakan jenis high pass filter orde dua. Nilai komponen kapasitor, resistor dan induktor dapat dihitung sebagai berikut :

Kapasitor

Nilai kapasitor dihitung berdasarkan daya reaktif yang dibutuhkan. Dari perhitungan sebelumnya dibutuhkan daya reaktif sebesar 2037 Kvar pada tegangan 20 kV.

-92 10 V C f 2 kVar π= Nilai komponen kapasitor, resistor dan induktor dapat dihitung sebagai berikut :

Fx)(xxx

C μ=π

=−

817.446585692 1020000502

2191

Induktor Frekuensi resonansi f0 = 650 Hz sehingga nilai induktor dapat dihitung sebagai berikut :

( )mH3,44

8.1017.4465856 6-==

ω= 22

0 650143211

x.xCL

Resistor Sedangkan untuk mencari resistor dapat digunakan persamaan :

( )Ω==

ω= 828.0831970

8.1017.44658562x3.14x6502

6-20

2C

R

Spesifikasi yang lebih lengkap adalah sebagai berikut : Spesifikasi Kapasitor

Kapasitas kapasitor = 17,45 uF Arus kapasitor pada tegangan sistem dan

frekuensi fundamental : φ sinIV 3 Q CLL= dimana 1=φ sin

A A 963,2487219 20000 3

2.191.000 63≈==CI

Tegangan kapasitor pada tegangan base system :

( )-1CC 817.4465856 63 X I 610502 −π== ....VC

φ= 1V 11497.82CV

φ= 3V 19914.81 Spesifikasi Induktor / Reactor

Induktansi nominal = 3,44 mH Arus nominal filter = 44,8 A

Arus nominal diperoleh dari simulasi Circuit Maker. Spesifikasi Resistor

Resistansi nominal = 28,08 Ohm Rating daya resistor = 160,2 W

Rating daya diperoleh dari simulasi Circuit Maker Setelah semua parameter dihitung, maka hasil filter yang direncanakan dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Reactor3,75 mH

Damping Resistor25,89 Ohm

Kapasitor22,36 µF

Reactor3,44 mH

Damping Resistor28,08 Ohm

Kapasitor17,45 µF

b.a.

Gambar 7. Filter yang direncanakan 4.4. Simulasi dan Analisa Penyempurnaan

Filter Harmonisa

Sebelum melakukan simulasi dengan filter yang sudah dihitung, akan dibuat simulasi dengan kapasitor yang sudah dipecah terlebih dahulu. Dalam simulasi ini sistem dipasang dengan kapasitor yang dihitung sebelumnya berdasarkan perbandingan persen arus pada rectifiernya sehingga diperoleh C1= 2809kVar dan C2= 2191 kVar. Hasil simulasinya dapat dilihat pada tabel 6 dan 7.

23


Tabel 6. Hasil Simulasi Aliran Daya setelah penyempurnaan filter harmonisa


Study : MW Mvar MVA % PF Swing Bus (es) :

67,516 33,295 75,279 89,7 Lagging

Generator : 0,000 0,000 0,000 100,0 Lagging

Total Demand :

67,516 33,295 75,279 89,7 Lagging

Total Motor Load

66,274 46,047 80,700 82,1 Lagging

Total Static Load

0,393 -24,220

Apparent Loss :

0,849 11,468

Catatan : Tabel diatas adalah output Load Flow Report dari Software ETAP Tabel 7. Tingkat distorsi harmonisa pada bus-bus

utama setelah penyempurnaan filter harmonisa

Bus ID Rated kV

Voltage Distortion Fund (%) RMS(%) THD(%)

Bus PLN 150 100,00 100,03 2,24 Bus 2 20 96,14 96,20 3,26 Main Sub 20 96,03 96,08 3,27 New Conversion 20 96,03 96,08 3,27

LC4 20 96,03 96,08 3,27 Rectifier 1 20 95,99 96,04 3,28 Rectifier 2 20 95,99 96,04 3,28 Rectifier 3 20 96,00 96,05 3,28 Rectifier 4 20 96,01 96,06 3,28 Turbo Comp. 20 96,03 96,08 3,27 Cap. 20 Mvar 20 96,05 96,10 3,26 Cap. 5 Mvar 20 96,04 96,09 3,27

Dari tabel di atas terlihat bahwa hasilnya menunjukkan perbaikan pada THD-nya. Plot Impedansi dan Spektrum Tegangan Bu-Bus utama

Gambar 8. Plot impedansi bus 20 KV pada pembebanan 100 % setelah pemasangan filter

0123456789

101112131415

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 17 19 23 25 29 31H armo nic o rde

Gambar 9. Spektrum tegangan 20 KV pada pembebanan 100 % setelah pemasangan filter

Gambar di atas menunjukkan bahwa terjadi perbaikan pada hamonisa tunggal utamanya harmonisa ke 11 dan 13 hingga di bawah ambang standar (3 %).

5. KESIMPULAN Dari hasil perhitungan dan analisa yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Penggunaan filter LC penalaan tunggal 5 MVar

yang ditala pada frekuensi 204 Hz (berdasarkan data sekunder) dapat dioptimalkan menjadi damping filter yang ditala pada frekuensi ke-11 dan 13 sehingga dapat menurunkan harmonisa individu yang ada pada bus utama seperti pada tabel berikut.

Frekwensi ke-

11 Frekwensi ke-

13 Dari Ke Dari Ke

Bus 2 3,09 1,92 2,65 1,12 Bus PLN 2,1 1,35 1,77 0,78

Data diatas diambil dari report harmonic loadflow Etap

2. Filter yang digunakan adalah High Pass Filter

orde dua yang ditala pada frekuensi 550 Hz dan frekuensi 650 Hz di bus mainsubstation, karena terjadi resonansi pada frekuensi-frekuensi tersebut. High Pass Filter orde dua sebagai jalur yang dapat menyerap harmonisa pada frekuensi penalaan dan frekuensi diatas frekuensi penalaannya. Setelah pemasangan filter tersebut maka diperoleh perbaikan plot impedansi dan distorsi tegangan harmonisa yang rendah (VTHD < 5%).

24


6. DAFTAR PUSTAKA

1. Arrilaga J, “Power System Harmonic”, John Wiley & Sons, New York, 1985.

2. Dugan R.C, “Electrical Power Systems Quality”, McGraw-Hill, New York, 1996.

3. Keskar P.Y, “Spesification Of Variable Frequency Drive Systems To Meet The New IEEE 519 Standard”, IEEE Transaction On Industry Aplications, Vol.32 No.2 March/April 1996.

4. Ned Mohan, “Power Electronics”, John Wiley & Sons, New York, 1987.

5. Rashid M.H, “Elektronika Daya”, Jilid 1, PT. Prenhallindo, Jakarta, 1993.

6. Stevenson W.D, “Analisis Sistem Tenaga Listrik”, edisi keempat, McGraw-Hill, London, 1993.

9. W. Mielczarski, “Quality of Electricity Supply & Management of Network Losses”, Puma Press, Melbourne, 1997.

7. BIODATA PENULIS Margo Pujiantara, lahir 18 Maret 1966 di Pasuruan. Saat ini menjadi dosen di Jurusan Teknik Elektro – ITS dalam bidang Industrial Electrical sejak tahun 1989. Email: [email protected]

its-article-8981-margo pujiantara-penyempurnaan desain filter harmonisa menggunakan kapasitor...

Documents