perencanaan high pass dan single tuned filter sebagai filter

PERENCANAAN HIGH PASS DAN SINGLE TUNED FILTER SEBAGAI
FILTER HARMONISA PADA SISTEM KELISTRIKAN ESP DI PT MEDCO
E&P INDONESIA
Muhammad Agung Purwanto1, Ir. Agung Warsito, DHET.2, Ir. Agung Nugroho, M.Kom.3
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Diponegoro Semarang
Jl.Prof. Soedarto SH, Kampus UNDIP Tembalang, Semarang 50275, Indonesia
Email: [email protected]
Abstrak
PT Medco E&P Indonesia merupakan salah satu perusahaan yang bergerak dalam bidang eksplorasi dan
produksi minyak dan gas bumi. Pada penelitian ini, akan dibahas metode pengangkatan buatan menggunakan
Electrical Submersieble Pump. Pompa esp ini dikopel dengan sebuah motor induksi 3 fasa. Dalam pengoperasian
motor esp ini diperlukan sebuah peralatan elektronika daya berupa VSD untuk mengatur kecepatan putar motor esp.
Dampak dari penggunaan VSD ini ialah harmonisa. Harmonisa akan memberikan dampak negatif pada kontrol
jaringan maupun pada system seperti rugi–rugi histerisis, overheating pada trafo, kerja circuit breaker dan relay
menjadi tidak optimal.
Metode yang digunakan untuk meminimalisir harmonisa ialah dengan menggunakan filter pasif. Ada 2 jenis
filter pasif yang digunakan. Single tuned filter digunakan untuk meminimalisir arus harmonisa yang dominan yaitu
pada orde 5 sementara untuk orde harmonisa yang tidak dominan seperti orde 7 dan 11 akan digunakan high pass filter.
Hasil simulasi pada software ETAP Power Station versi 12.6 didapat bahwa dengan pemasangan single
tuned dan high pass filter dapat menyebabkan nilai THD arus dan THD tegangan turun sesuai dengan standar IEEE
519-1992. Selain itu, dengan pemasangan filter pasif tersebut dapat menurunkan persentase pembebanan pada
transformator step-down yang mensuplai VSD.
Kata kunci: Filter Pasif, Harmonisa, THD arus, THD tegangan, Variable Speed Drive
Abstract
PT Medco E&P Indonesia is one of the company that is engaged in the exploration and production of oil and
gas. In this study, we discuss the method of artificial lift using Electrical Submersieble Pump. ESP is coupled by a 3phase induction motor. The operation of ESP motor requires power electronic equipment such as VSD to regulate ESP
motor speed. The impact of use VSD is harmonics. Harmonics will have negative impact on network control system as
well as the los-hysteresis loss, overheating of transformers and etc.
The method used to minimize harmonics by using passive filters. There are two types of passive filter used.
Single tuned filter used to minimize dominant harmonic currents that is on the order of 5 while on the order harmonics
that are not as dominant as the order of 7 and 11 will use high pass filter.
The simulation results on the ETAP 12.6 was found that with the installation single tuned and high pass filter
can cause the value of THD current and THD voltage down in accordance with the IEEE 519-1992. Moreover, with the
installation of a passive filter can reduce the percentage of load on the transformer step-down the supply VSD.
Keywords: Passive filter, Harmonics, THD Current, THD Voltage, Variable Speed Drive
1
PENDAHULUAN
Sebagian besar beban–beban industri saat ini
berupa motor-motor induksi dan peralatan-peralatan
elektronika daya. Penggunaan beban-beban tersebut dapat
mengakibatkan penurunan faktor daya dan timbulnya
harmonisa. Adanya harmonisa akan mengakibatkan
kerusakan pada peralatan listrik. Harmonisa dalam sistem
kelistrikan ditimbulkan oleh adanya beban-beban
converter yang menarik arus non-sinusoidal dari sumber
tegangan. Beban yang bersifat seperti demikian
dinamakan beban non-linear.
PT Medco E&P Indonesia merupakan perusahaan
KKKS yang memiliki hak untuk melakukan kegiatan
eksplorasi dan eksploitasi, minyak dan gas bumi di Indonesia. Metode yang digunakan dalam proses pengangkatan minyak dari dalam bumi hingga ke permukaan adalah
dengan ESP (Electrical Submersieble Pump). Pompa ESP
ini dikopel dengan motor induksi 3fasa sangkar tupai.
Dalam pengoperasian ESP dibutuhkan VSD sebagai
pengatur kecepatan putar motor nya. Peralatan elektronika
daya seperti Variable Speed Drive ini merupakan salah
satu sumber harmonisa, karena begitu vitalnya pengaruh
yang ditimbulkan akibat harmonisa maka diperlukan suatu
usaha untuk menekan harmonisa tersebut.
Tujuan dari tugas akhir ini adalah melakukan
analisa harmonisa dengan software etap 12.6 dan mitigasi
harmonisa dengan menggunakan filter pasif jenis single
tuned dan high pass filter. Setelah pemasangan filter pasif
ini, diharapkan sistem kelistrikan ESP menjadi optimal.
2
2.1
Metode Penelitian
Key Single Line Diagram kaji Station
2.2
Konfigurasi Sistem Kelistrikan ESP
Gambar 2 Sistem Konfigurasi ESP
Tegangan kerja dari motor esp sebesar 700 V–1.8
kV, dimana dalam pengoperasiannya membutuhkan
variable speed drive. Tegangan variable speed drive yang
digunakan di Cluster 35, 236 dan 264 B ialah 0.48 kV
sehingga membutuhkan trafo step-up dari 0.48 kV/1.8 kV.
Konfigurasi transformator yang digunakan adalah deltawye..
2.3 Flowchart Koreksi Faktor Daya dan
Peredaman Harmonisa
Untuk memperbaiki faktor daya dan meredam
harmonisa pada sistem kelistrikan (Block Rimau Kaji
Station A), Langkah pertama yang dilakukan adalah
mengumpulkan data–data yang dibutuhkan, setelah data
yang diperlukan untuk penelitian sudah terkumpul
selanjutnya melakukan pemodelan sistem kelistrikan
seperti memvariasikan tingkat pembebanan pada Motor
ESP, membuat single line diagram pada software ETAP
Power Station 12.6. Kemudian, melakukan analisa load
flow untuk mengetahui konsumsi daya dan faktor daya.
Langkah selanjutnya adalah melakukan harmonic load
flow untuk menganalisa harmonisa yang terjadi pada
sistem kelistrikan ESP dan melakukan perhitungan filter
sizing untuk menentukan spesifikasi filter pasif (Single
Tuned & High Pass Filter) yang akan di install pada bus
yang terdapat harmonisa, dan yang terakhir menganalisa
nilai THD arus dan tegangan sebelum dan sesudah
pemasangan filter. Berikut ini adalah diagram alir/
flowchart yang digunakan pada peneletian :
Gambar 1 single line diagram utama Kaji Station
Tabel 1. Simulasi harmonisa pada KS 236
keterangan
I rms Primer
I rms Sekunder
%THDI
% THDV
Operasi
1,3 A
56,1 A
22,79 %
8,79 %
Rating
2,88 A
120,28 A
-
3.1.2 Analisa Harmonisa Pada KS
Pembebanan Motor ESP 70%
35
Pada bagian ini akan disimulasikan sistem
kelistrikan dengan gangguan harmonisa kondisi
pembebanan Motor ESP 70%. Berikut adalah gambar
simulasi harmoinsa arus dan tegangan pada KS 35 :
Gambar 3 Diagram alir langkah – langkah peredaman harmonisa
3
3.1
HASIL DAN ANALISA
Analisa Harmonisa Arus dan Tegangan
Sebelum Pemasangan Filter
3.1.1 Analisa Harmonisa Pada KS 236
Pembebanan Motor ESP 50%
Gambar 6 Harmonisa arus pada trafo step-down esp KS 35
Pada bagian ini akan disimulasikan gangguan
harmonisa kondisi pembebanan Motor ESP 50%. Berikut
adalah gambar simulasi harmoinsa arus dan tegangan pada
KS 236 :
Gambar 7 Harmonisa tegangan pada KS 35
Tabel 2 merupakan hasil simulasi harmonisa yang
terjadi pada transformator step-down KS 35 :
Gambar 4 Harmonisa arus pada trafo step-down esp KS 236
Gambar 5 Harmonisa tegangan pada KS 236
Tabel 1 merupakan hasil simulasi harmonisa pada
tansformator step-down KS 236 :
Tabel 2. Simulasi harmonisa pada KS 35
keterangan
Operasi
Rating
I rms Primer
I rms Sekunder
%THDI
%THDV
1,9 A
79,7 A
22,87 %
12,36 %
2,88 A
120,28 A
-
3.1.3 Analisa Harmonisa Pada KS
Pembebanan Motor ESP 90%
264
Pada bagian ini akan disimulasikan sistem
kelistrikan dengan gangguan harmonisa kondisi
pembebanan Motor ESP 90%. Berikut adalah gambar
simulasi harmoinsa arus dan tegangan pada KS 264 :
Gambar 8 Harmonisa arus pada trafo step-down esp KS 264
Setelah
menentukan
reaktansi
kapasitor,
selanjutnya adalah menghitung kapasitansi kapasitor,
dengan menggunakan rumus berikut :
1
dimana F adalah frekuensi fundamental
C
2fX C
60Hz
1
C
2  60  26,649
C  99,58 F
Selanjutnya menghitung impedansi reaktor filter
dengan menggunakan persamaan berikut :
X
X L  2C
n
26,649
XL 
52
X L  1,065 
Gambar 9 Harmonisa tegangan KS 264
Tabel 3 merupakan hasil simulasi harmonisa yang
terjadi pada transormator step-down KS 264 :
Tabel 3. Simulasi harmonisa pada KS 264
keterangan
Operasi
Rating
I rms Primer
I rms Sekunder
%THDI
%THDV
2A
101,6 A
22,85 %
15,67 %
2,88 A
120,28 A
-
3.2 Desain Filter Harmonisa
3.2.1 Desain Single Tuned Filter Orde 5th
Pada bus 12 faktor daya awal = 91.3% dan faktor
daya target = 98%, daya aktif = 57 KW :
QC  P tan  awal  P tan  t arg et
QC  57 x(tan(cos 1 0.913)  tan(cos 1 0.98))
QC  13,895K var
Setelah menentukan kompensasi daya reaktif yang
dibutuhkan, selanjutnya menentukan reaktansi kapasitif
dari filter. Karena filter yang dibutuhkan untuk meredam
harmonisa adalah 3 orde, maka rating kapasitor pada
masing–masing filter adalah sebagai berikut :
Nilai reaktansi kapasitor :
XC 
0,46 2
7,940
 26,649 
XC 
XC
KV 2
QC
Dimana n adalah orde harmonisa arus yang akan di
tuned. Besar induktansi indukor dapat dihitung melalui
persamaan berikut :
X
L  L f adalah frekuensi fundamental sistem 60
2f
Hz
1,065
L
2  60
L  0,00282 H
Pada perancangan single tuned filter untuk orde 5,
nilai Q yang digunakan sebesar 100 [19]. Nilai faktor
kualitas (Q) merupakan ukuran ketajaman penyetelan
filter dalam mereduksi harmonik.
Setelah menghitung spesifikasi filter pasif jenis
single tuned orde 5, didapatkan spesifikasi filter pasif
sebagai berikut :
Tabel 4. Spesifikasi filter harmonisa orde 5
Spesifikasi
Nilai
Spesifikasi
Nilai
C
99,58 µF
XL
1.065 𝛺
Xc
26,649 𝛺
QVAR
7,94 Kvar
L
0,00282 H
Tegangan
460 V
3.2.2 Desain High Pass Filter Orde 7th
Perbedaan perhitungan antara single tuned filter
dan high pass filter adalah pada perhitungan nilai resistor.
Pada high pass filter nilai resistor dihitung dengan rumus
berikut :
R = Xn x Q
Berikut adalah perhitungan impedansi reaktor filter :
X
X L  2C
n
53,2999
XL 
72
X L  1,0877 
Dimana n adalah orde harmonisa arus yang akan di tuned
yaitu orde 7. Besar induktansi indukor dapat dihitung
melalui persamaan berikut :
X
L  L f adalah frekuensi fundamental sistem 60
2f
Hz
1,0877
L
2  60
L  0,002886 H
Langkah selanjutnya adalah menghitung karakteristik reaktansi dengan persamaan berikut :
Xn 
L
C
0,002886
0,00004979
Xn  7,6141
Dari nilai karakteristik reaktansi yang didapat,
maka besarnya nilai resistansi filter adalah :
R  Xn  Q
Nilai ketajaman filter jenis high pass filter orde 7,
sebesar 50[19]. Dari rumus resistansi diatas, nilai
resistansi diperoleh sebesar 380,707𝛺, sehingga dapat
dibuat tabel spesifikasi jenis high pass filter orde 7 :
Xn 
Tabel 5. Spesifikasi filter harmonisa orde 7
Spesifikasi
Nilai
Spesifikasi
Nilai
C
49,793 µF
XL
1.0877 𝛺
Xc
53,299 𝛺
QVAR
3,97 Kvar
L
0,002886 H
R
380,707 𝛺
3.2.3 Desain High Pass Filter Orde 11th
Desain filter untuk orde 11 jenis high pass filter
sama seperti desain filter orde 7, yang membedakan
adalah orde yang ditala :
X
X L  2C
n
106,598
XL 
112
X L  0,8809 
Dimana n adalah orde harmonisa arus yang akan di
tuned yaitu pada orde 11. Besar induktansi indukor dapat
dihitung melalui persamaan berikut :
X
L  L f adalah frekuensi fundamental sistem 60
2f
Hz
0,8809
L
2  60
L  0,00233 H
Langkah selanjutnya adalah menghitung karakteristik reaktansi untuk menentukan nilai resistansi yang
dibutuhkan :
Xn 
L
C
0,00233
0,00002498
Xn  9,69
Dari nilai karakteristik reaktansi yang didapat,
maka besarnya nilai resistansi filter dapat dihitung :
R  Xn  Q
Nilai ketajaman filter sama seperti high pass filter
orde 7, yaitu 50[19]. Dari rumus resistansi diatas, nilai
resistansi diperoleh sebesar 484,563𝛺, sehingga dapat
dibuat tabel spesifikasi jenis high pass filter orde 11:
Xn 
Tabel 6. Spesifikasi filter harmonisa orde 11
Spesifikasi
Nilai
Spesifikasi
Nilai
C
24,98 µF
XL
0,8809 𝛺
Xc
106,598 𝛺
QVAR
1,985 Kvar
L
0,00233H
R
484,536 𝛺
3.3
Analisa Pengaruh Pemasangan Filter
Pasif Terhadap Faktor Daya
Berikut adalah pengaruh pemasangan filter
terhadap faktor daya sebelum dan sesudah pemasangan
filter :
Tabel 7. Perbandingan faktor daya sebelum dan sesudah
pemasangan filter pasif
Bus
ID
Bus
10
Bus
35
Bus
40
Sebelum
K
W
KV
A
KV
AR
57
62
25
73
80
33
40
44
18
Sesudah
Cos
ϕ
91,3
%
91,2
%
91,5
%
K
W
KV
A
KV
AR
57
58
11
73
74
13
40
41
8
Cos
ϕ
98,3
%
98,5
%
98,2
%
Dari tabel 9 dapat dilihat bahwa pengaruh
pemasangan filter akan berpengaruh pada faktor daya dan
konsumsi daya. Setelah pemasangan filter pasif, faktor
daya naik menjadi 98,3%. Dengan nilai daya aktif tetap
dan nilai daya reaktif yang menurun sehingga konsumsi
daya nyata akan menurun. Sesuai dengan rumus berikut :
S  P2  Q2
3.4
Analisa Pengaruh Pemasangan Filter
Pasif Terhadap Harmonisa
3.4.1 Analisa Pengaruh Pemasangan Filter
Pasif Terhadap Harmonisa Arus
Berikut adalah hasil running dan simulasi harmonic
load flow pada KS 35B, 264B dan KS 35B melalui etap
power station 12.6 :
Berdasarkan tabel 8, nilai distorsi harmonisa arus
pada klaster yang terdapat variable speed drive berada
dibawah 5% sesuai dengan standar IEEE 519. Hal ini
menunjukan bahwa filter pasif yang dipasangan paralel
dengan sumber harmonisa sudah optimal.
3.4.2 Analisa Pengaruh Pemasangan Filter
Pasif Terhadap Harmonisa Tegangan
Berikut adalah hasil harmonic load flow pada etap
power station 12.6 pada KS 35, 264 dan KS 236:
Gambar 10 Thd arus pada KS 35 setelah pemasangan filter
Gambar 13 Thd tegangan pada KS 35 setelah pemasangan filter
Gambar 11 Thd arus pada KS 264 setelah pemasangan filter
Gambar 14 Thd tegangan pada KS 264 setelah pemasangan filter
Gambar 12 Thd arus pada KS 236 setelah pemasangan filter
Dari gambar 10, 11 dan 12 dapat dibuat tabel
perbandingan THD arus sebelum dan setelah pemasangan
filter :
Tabel 8. Perbandingan THD arus sebelum dan sesudah
pemasangan filter
KS 35
Standard
(%)
5
THDi (%)
Sebelum
22,87
THDi (%)
Sesudah
4
KS 264
5
22,91
3,48
KS 236
5
22,79
4,94
Klaster
Gambar 15 Thd tegangan pada KS 236 setelah pemasangan filter
Dari gambar 13, 14 dan 15 dapat dibuat tabel
perbandingan THD tegangan sebelum dan setelah
pemasangan filter. Berikut adalah tabel perbandingan
THD tegangan sebelum dan sesudah pemasangan filter
pasif :
Tabel 9. Perbandingan THD tegangan sebelum dan sesudah
pemasangan filter
KS 35
Standard
(%)
5
THDv (%)
Sebelum
12,36
THDv (%)
Sesudah
4,78
KS 264
5
16,12
4,96
KS 236
5
8,79
4,06
Klaster
yang memiliki rating tegangan 20 Kv maka biaya
investasi untuk filter harmonisa tidak ekonomis.
Sementara itu, apabila filter harmonisa di pasang pada
bagian downstream VSD, harmonisa akan mengalir
menuju sistem.
REFERENSI
[1]
[2]
Berdasarkan tabel 9 dapat dilihat tidak hanya
harmonisa arus saja yang mengalami peurunan, nilai THD
tegangan juga mengalamai penurunan hingga dibawah
stándar IEEE 519-1992. Hal ini menunjukan bahwa desain
filter harmonisa sudah tepat.
4.
KESIMPULAN
Dengan melihat hasil simulasi menggunakan ETAP
12.6 serta dibandingkan dengan standar distorsi tegangan
harmonisa dan distorsi arus harmonisa yang diizinkan,
maka dapat disimpulkan bahwa :
1. THD arus dan tegangan sebelum pemasangan
filter harmonisa pada bus yang mensuplai
beban variable speed drive berada diatas
standar IEEE 519-1992.
2. Berdasarkan hasil simulasi etap 12.6 semakin
besar tingkat pembebanan Motor ESP maka
nilai THD arus dan tegangan juga semakin
besar.
3. Pemasangan harmonic filter dengan kombinasi
filter pasif (single tune filter untuk orde 5 dan
high pass filter untuk orde 7 dan 11) dapat
mengurangi THD arus sebesar 17,93% untuk
KS 236, 18,79% untuk KS 35, 19,43% untuk
KS 264 dan THD tegangan sebesar 4,73%
untuk KS 236, 7,58% untuk KS 35, 11,16%
untuk KS 264.
4. Simulasi menggunakan ETAP 12.6 dapat
menunjukkan bahwa nilai faktor daya setelah
pemasangan filter meningkat sebesar 7% untuk
KS 35, 7,3% untuk KS 264, dan 6,7% untuk
KS 236.
5.
SARAN
Apabila melakukan pembukaan lapangan
pengeboran minyak baru dengan metode pengangkatan
buatan (Electrical Submersible Pump/ESP) dan
menggunakan VSD sebagai pengatur kecepatan putar
motor nya, sebaiknya dilakukan simulasi harmonic load
flow terlebih dahulu. Penentuan letak filter harmonisa
sebaiknya memperhitungkan dari aspek ekonomis dan
teknis, pada tugas akhir ini filter dipasang pada bagian
upstream VSD untuk mencegah harmonisa mengalir
menuju sistem dan transformator step-down. Apabila filter
harmonisa dipasang pada bagian primer transformator
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
Firmansyah, Ifhan “Studi pemasangan kapasitor
bank untuk perbaikan faktor daya PT asian profile
indosteel”.ITS. 2009
Widyar Hamzah, Amrullah “Perencanaan filter
pasif sebagai filter harmonisa dan korektor faktor
daya pada sistem kelistrikan PT Holcim Indonesia,
TBK Plant CC#2 Cilacap”.ITS. 2009
Chattopadhyay, Surajit., Sengupta, Samarjit, dan
Mitra, Madhuchhanda. “Electric Power Quality”.
Springer. United States of America. 2011.
Bien, Liem Ek & Sudarno. “Pengujian Harmonisa
Dan Upaya Pengurangan Gangguan Harmonisa
Pada Lampu Hemat Energi”. 2004.
Mcgraw-Hill. “Electrical Power System Quality”.
Digital Engineering Library. Second edition.
Sankaran, C.. (2002). Power Quality. CRC Press
LLC
De La Rosa, Francisco C.. (2006). Harmonic And
Power System. CRC Press.
Vedam, R.Sastry, Salma, Mulukutla S.. (2009).
Power Quality – VARCompensation in Power
System. CRC Press.
Skvarenina,
Timothy
L.
THE
POWER
ELECTRONICS HANDBOOK. CRC Press. New
York: 2002
Arrillaga, J., Watson N.R.. Power System
Harmonics, Second Edition. John Willey & Son
Ltd.
Tribuana, wanhar “Pengaruh Harmonik pada
transformator”. 1999
W. Mack Grady dan Surya Santoso, Understanding
PowerSystemHarmonics,http://www.ece.utexas.edu
/~grady, 28 Agustus 2006.
Xitron Teknologies: aplication note k-faktor
defined, San Diego
Jacob, ”Harmonic load flow”. PT.Tripolyta
Indonesia, 2013
Ghifari, Abdurrahman “Studi harmonisa pengaruh
pemasangan kapasitor bank pada sistem kelistrikan
PT. Chandra Asri Petrochemical, TBK”.UNDIP.
2013
Wildi,theodore. “Electrical Machines, drives and
power systems”. 2002
Irawan,Heri. “Analisis pengaruh pemasangan filter
pasif terhadap penurunan harmonik pada sistem
multi mesin 9 bus IEEE”. UNDIP. 2011
Pujiantara, Margo, “Penyempurnaan desain filter
harmonisa menggunakan kapasitor eksisting pada
pabrik soda kaustik di serang - banten”. ITS. 2003
[19]
Badrzadeh. B, Smith. K, Wilson. R. Designing
Harmonics Filters For An Aluminum Smelting
Plant. Houston, Texas. 2010.
BIODATA PENULIS
Muhammad Agung Purwanto (21060111140142)
dilahirkan di Ujung Pandang 19 September 1993. Telah
menempuh pendidikan di SDN Bintara VI Bekasi SMP
Negeri 14 Bekasi dan SMA Negeri 59 Jakarta. Saat ini
sedang menempuh pendidikan Strata 1 Jurusan Teknik
Elektro Konsentrasi Teknik Tenaga Listrik, Fakultas
Teknik, Universitas Diponegoro Semarang.
Mengetahui/Mengesahkan:
Dosen Pembimbing I
Ir. Agung Warsito, DHET
NIP. 195806171987031002
Dosen Pembimbing II
Ir. Agung Nugroho, M.Kom.
NIP. 195901051987031001