Variasi Tuning dan Quality Factor pada Perancangan Single

Variasi Tuning dan Quality Factor pada Perancangan Single-Tuned Passive
Filter untuk Optimasi Reduksi Distorsi Harmonik
Fauziah Aini dan Ir. Agus R. Utomo, MT
1. Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok, Indonesia
2. Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok, Indonesia
E-mail: [email protected]
Abstrak
Jurnal ini membahas tentang upaya reduksi harmonik pada sistem tenaga listrik yang memiliki beban non-linier
variable frequency drives menggunakan single-tuned passive filter. Variasi tuning dan quality factor pada
perancangan filter dilakukan untuk mendapatkan nilai reduksi yang optimal dan memenuhi standar IEEE 5191992. Variasi tuning factor yang dilakukan adalah ± 0.5 dari orde harmonik dominan dan variasi quality factor
adalah 1 hingga 80. Dari hasil simulasi menggunakan ETAP 7.0.0, nilai reduksi harmonik optimal didapatkan
dengan pemasangan dua buah single-tuned passive filter dengan tuning factor 5.1 dan 11.1 dan quality factor 60
hingga 80. Besarnya reduksi harmonik arus adalah 16.11% dan besarnya reduksi harmonik tegangan adalah
8.11%, dimana nilai individual harmonic distortion dan total harmonic distortion telah memenuhi standar.
Pembebanan pada transformator penyuplai berhasil diturunkan dari 81% menjadi 69.6%.
Variation of Tuning and Quality Factor in Single-Tuned Passive Filter Design to
Optimize the Reduction of Harmonic Distortion
Abstract
This focus of study is about the reduction of harmonic distortion in power system supplied non-linear loads
variable frequency drives using single-tuned passive filter. Variation of tuning and quality factor has been done
to optimize harmonic reduction value to meet IEEE 519-1992 requirement. Variation of tuning factor is ± 0.5
around its dominant harmonic order and variation of quality factor is 1 up to 80. Simulation using ETAP 7.0.0
results optimum reduction of harmonic distortion is achieved by using 2 single-tuned passive filters with tuning
factor 5.1 and 11, and quality factor 60 up to 80. Current harmonic distortion has been reduced 16.11% and
voltage harmonic distortion has been reduced 8.11%, where individual harmonic distortion and total harmonic
distortion has met the requirement. Feeder transformer loading has been reduced from 81% to 69.6%.
Key words: harmonic distortion, transformers loading, quality factor, single-tuned passive filter, tuning factor,
variable frequency drives
Pendahuluan
Penggunaan divais elektronika daya seperti dioda, thyristor, IGBT, MOSFET sebagai
perangkat switching semakin berkembang luas dan digunakan pada banyak aplikasi seperti
rectifier, variable speed drives, uninterruptible power supplies, static power converter, dan
lain-lain. Peralatan tersebut menyebabkan bentuk gelombang arus dan tegangan terdistorsi
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
akibat superposisi antara gelombang frekuensi dasar dengan gelombang frekuensi kelipatan
bulat dari frekuensi dasar, pada satu periode. Kelipatan bulat tersebut dinamakan harmonik.
Distorsi harmonik mempengaruhi komponen lain di sistem tenaga listrik. Pengaruhnya
berupa peningkatan arus dan tegangan rms. Efek lebih lanjut adalah pemanasan kabel dan
degradasi kemampuan dielektrik, peningkatan rugi tembaga dan fluks pada transformator,
pemanasan berlebih dan rugi-rugi pada kapasitor bank, operasi relay yang tidak sesuai, serta
gangguan dan kerusakan dari sistem kontrol dan telekomunikasi [1].
Salah satu komponen yang terpengaruh oleh distorsi harmonik adalah transformator daya.
Distorsi ini meningkatkan suhu dan mengubah nilai pembebanan maksimum [2], [3].
Harmonik juga dapat meningkatkan rugi-rugi dan menurunkan umur harapan hidup
transformator tersebut [4].
Beberapa upaya dilakukan untuk mereduksi harmonik, salah satunya dengan filter pasif.
Dalam [5], penggunaan filter pasif untuk mereduksi arus harmonik berhasil menghemat
energi dan memperbaiki faktor daya dari beban rumah tangga. Dalam [6], filter pasif yang
dirancang dengan mempertimbangkan variansi tuning dan quality factor dengan metode bode
plot menunjukkan hasil sesuai standar pada [7]. Perancangan filter pasif untuk mendapatkan
frekuensi tuning optimal menggunakan partial resonance ratio telah diajukan dalam [8].
Pada jurnal ini dibahas distorsi harmonik pada sistem tenaga listrik dengan beban varible
frequency drives dan motor induksi yang disuplai oleh transformator tiga fasa. Variasi tuning
dan quality factor dilakukan pada perancangan single-tuned passive filter untuk mendapatkan
parameter filter yang dapat mereduksi level distorsi harmonik secara optimal dan sesuai
standar IEEE 519-1992. Pengaruh pemasangan filter ini juga akan berdampak terhadap rugirugi dan pembebanan transformator penyuplai. Level harmonik yang ditinjau adalah sampai
pada orde harmonik ke 25. Tuning factor akan divariasikan hingga ±0.5 dari orde harmonik
dominannya sedangkan quality factor divariasikan dari 1 hingga 80.
Fenomena Harmonik
Sistem kelistrikan yang secara luas digunakan adalah sistem AC (alternating current),
dimana besar tegangan dan arusnya mengalami perubahan polaritas terhadap waktu dengan
frekuensi tertentu.
Pada kenyataannya, gelombang tegangan dan arus AC tidak berbentuk sinusoidal murni.
Ada berbagai faktor yang menyebabkan penyimpangan, salah satunya distorsi harmonik.
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
Sumber harmonik menyebabkan terdistorsinya gelombang arus, kemudian menginjeksikan
arus harmonik ke dalam sistem. Arus harmonik yang melewati suatu impedansi akan
mengakibatkan terjadinya distorsi tegangan.
Ada beberapa istilah yang sering digunakan ketika membahas harmonik, antara lain:
• Komponen harmonik: gelombang sinusoidal yang mempunyai frekuensi kelipatan
bilangan bulat dari frekuensi dasarnya.
• Orde harmonik: bilangan bulat yang merupakan perbandingan antara frekuensi harmonik
dengan frekuensi dasarnya.
• Individual Harmonic Distortion (IHD): perbandingan nilai tegangan atau arus rms pada
salah satu frekuensi harmonik terhadap nilai tegangan dan arus rms frekuensi dasarnya.
• Total Harmonic Distortion (THD): perbandingan antara nilai rms dari keseluruhan
komponen harmonik dengan nilai rms dari komponen dasarnya.
Gbr. 1 Gelombang tegangan dan arus yang terdistorsi [9]
Ada dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonik, yakni standar
harmonik arus dan standar harmonik tegangan. Standar harmonik arus ditentukan dari
perbandingan arus hubung singkat pada Point of Common Coupling terhadap arus beban.
Standar harmonik tegangan ditentukan besarnya tegangan sistem yang terpasang [10].
Tabel 1. Standar Harmonik untuk Distorsi Arus
IHD (%)
h< 11
11≤ h <17
17 ≤ h < 23
23 ≤ h < 35
35 ≤ h
THD
(%)
< 20
4
2
1.5
0.6
0.3
5
20-50
7
3.5
2.5
1
0.5
8
50-100
10
4.5
4
1.5
0.7
12
100-1000
12
5.5
5
2
1
15
>1000
15
7
6
2.5
1.4
20
Isc/IL
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
Tabel 2. Standar Harmonik untuk Distorsi Tegangan
Tegangan pada PCC,
Vn (kV)
IHD-v (%)
THD-v (%)
Vn ≤ 69
3.0
5.0
69 < Vn ≤ 161
1.5
2.5
Vn > 161
1.0
1.5
Harmonik disebabkan oleh adanya beban non-linier yang berupa perangkat switching dari
bahan semikonduktor dan beban dari bahan magnetis yang dapat mengalami saturasi.
Contohnya antara lain lampu fluorescent, adjustable speed drives, Personal Computer,
konverter daya, Uninterruptible Power Supply (UPS), transformator dan motor, dan lain-lain.
Adanya distorsi harmonik menyebabkan sistem beroperasi pada kondisi nonsinusoidal.
Pada kondisi nonsinusoidal, perubahan tegangan dan arus rmsnya adalah sebagai berikut:
!!"# =
!!"# =
!
!
!
!
!
!!! + !!! + !!! + ⋯ + !! !"#
(1) !
!!! + !!! + !!! +. . . +!! !"#
(2) dimana indeks 1 menyatakan komponen frekuensi dasar dan sisanya merupakan komponen
frekuensi harmonik.
Mengalirnya arus harmonik pada lilitan transformator mengakibatkan penambahan rugi I2R
dan arus eddy, sehingga terjadi pemanasan berlebih dan derating [9]. Distorsi harmonik pada
motor menyebabkan perputaran dengan frekuensi yang berbeda dengan frekuensi sinkronnya
[11]. Arus yang mengalir pada kabel meningkatkan resistansi kabel seiring frekuensi akibat
fenomena skin effect [9]. Arus harmonik yang mengalir menuju kapasitor bank menyebabkan
terjadinya overload [9]. Sekering dan relay proteksi dapat mengalami kesalahan operasi
ketika terganggu oleh keberadaan arus harmonik [9]. Arus harmonik juga mengganggu
keakuratan dari pengukuran energi listrik. Daya yang terukur akan lebih besar daripada yang
sebenarnya digunakan oleh beban, akibatnya pelanggan harus membayar biaya tambahan
[11].
Salah satu cara untuk meminimalisasi harmonik adalah dengan meningkatkan teknologi
peralatan, misal dengan meningkatkan penggunaan konverter 6 pulsa menjadi 12 pulsa [9].
Penghilangan arus harmonik dapat dilakukan dengan transformator pergeseran fasa
terkoneksi zigzag. Transformator zigzag bertindak seperti filter bagi arus triplen harmonik
dengan menyediakan jalur impedansi rendah ke netral. Transformator ini mencegah arus yang
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
mengalir di netral kembali lagi ke sumber. Filter juga dapat digunakan untuk menyaring
komponen-komponen harmonik agar keluar dari sistem. Berdasarkan prinsip kerjanya, filter
diklasifikasikan menjadi filter aktif dan filter pasif.
Filter aktif meminimalisasi arus harmonik dengan cara membentuk arus kompensasi untuk
melengkapi bagian sinusoidal yang hilang pada arus harmonik yang dihasilkan oleh beban.
Filter pasif meminimalisasi arus harmonik dengan cara menyediakan jalur impedansi
rendah antara beban non-linier dengan filter. Tujuannya agar arus harmonik dengan frekuensi
tertentu yang dihasilkan beban mengalir melalui filter untuk ditanahkan, sehingga tidak
menganggu sistem.
Perancangan Filter
A. Single-Tuned Passive Filter
Single-tuned filter merupakan jenis filter yang sering digunakan. Komponen L dan C pada
filter ini disetel agar beresonansi pada frekuensi harmonik tertentu, sehingga arus frekuensi
harmonik dari beban non-linier mengalir ke filter, tidak mengalir ke sistem.
Komponen L dan C yang beresonansi akan menciptakan impedansi rendah pada filter
sehingga arus harmonik hanya bersirkulasi antara beban dan filter dan tidak menganggu
keseluruhan sistem.
Gbr. 2 Rangkaian dan karakteristik impedansi pada single-tuned filter
Frekuensi tuning adalah frekuensi yang disetel agar filter beresonansi. Term
lain
yang
penting dalam desain filter ini adalah quality factor (Q). Quality factor menentukan ketajaman
tuning. Nilai Q bergantung dari besarnya resistansi filter, jika menginginkan Q tinggi, maka R
harus kecil [6]. Selektivitas frekuensi filter tergantung Q. Q yang tinggi memberikan
bandwidth yang rendah sehingga dapat memilih frekuensi secara presisi.
Filter ini lebih sederhana, memiliki keandalan dan efisiensi tinggi, serta harga yang
umumnya murah [1]. Tetapi kerugiannya adalah kemungkinan terjadi resonansi antara filter
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
dengan sistem yang memperburuk kondisi. Frekuensi tuning juga tidak dapat diubah karena
komponen pasif yang digunakan bernilai tetap.
B. Perhitungan Perancangan
Untuk merancang filter, perlu diketahui beberapa parameter terkait sistem tersebut, antara
lain:
•
Kapasitas beban terpasang (dalam kVA).
•
Tegangan pada bus penyuplai beban (dalam kV)
•
Orde harmonik dominan dan besar IHDnya.
•
Faktor daya semula dan faktor daya yang diinginkan.
•
Kapasitas dan impedansi transformator penyuplai.
•
Distorsi tegangan pada sisi sekunder transformator saat no load.
Berdasarkan [11], prosedur yang harus dilakukan dalam perancangan filter ini antara lain:
1) Memilih frekuensi tuning: Frekuensi tuning dipilih berdasarkan IHD dominan. Nilai
tuning factor tidak boleh tepat pada frekuensi yang dominan untuk menghindari terjadi
hubung singkat pada filter.
2) Menghitung ukuran kapasitor bank: Daya reaktif yang harus dikompensasi oleh filter
agar menghasilkan faktor daya yang diinginkan adalah:
!! = ! !"#(!"# !! !"!"!# ) − ! !"#(!"# !! !"!"#$% ) (3) ! !"#$ =
!" ! (!""")
!!"#$
(4) Dimana Xfilt adalah selisih antara reaktansi kapasitif dan reaktansi induktif pada frekuensi
dasar.
! !"#$ = ! !"#$ − ! ! (5) Diketahui !!"#! = ℎ! !! , sehingga
! !"#$ =
! !"#$ !!
!! !!
(6) Daya reaktif yang harus dihasilkan oleh kapasitornya menjadi sebesar:
!"#$ =
!" ! (!""")
! !"#$
(7) 3) Menghitung ukuran reaktor filter: Ukuran reaktor filter dipilih untuk mentuning
kapasitor ke frekuensi yang diinginkan.
!! =
! !"#
!!
(8) Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
Langkah selanjutnya adalah evaluasi dari kerja filter. Ada tiga bagian dari perhitungan
evaluasi filter.
4) Perhitungan kerja fundamental: Parameter yang harus dievaluasi antara lain impedansi,
arus, tegangan, dan kapasitas kapasitor.
• Impedansi fundamental
! !"#$ = ! ! − ! !"# (9) • Arus fundamental
!!"#$ =
!"/ !
! !"#$
(10) • Tegangan kapasitor pada frekuensi dasar
!!!!,!"# (!"#$) = ! ! !!"#$ ! ! !"# (11) • Rating kapasitor
!"#$!"#$ = ! ! !!"#$ ! !" (12) 5) Perhitungan kerja harmonik: Parameter yang harus dievaluasi adalah arus total dan
tegangan kapasitor.
• Arus harmonik total
!!(!"!#$) = !!(!"#) + !!(!"#$#"%) (13) • Tegangan kapasitor
!!"# (!!!,!"#!!"#$) = ! ! !! (!"!#$) ! ! !"#
!
(14) 6) Evaluasi arus rms dan tegangan puncak: dilakukan dengan menghitung total arus yang
melalui filter, tegangan puncak kapasitor, tegangan rms kapasitor, dan kvar kapasitor.
• Total arus rms yang melalui filter
!!"#,!"!#$ =
!
!!"#$
+ !!! (15) Arus maksimumnya adalah 2 dari arus rms.
• Tegangan puncak yang melewati kapasitor
!!!!,!"# (!"#,!"#$) = !!!!,!"# (!"#$) + !!"# (!!!,!"#!!"#$) (16) • Tegangan rms pada kapasitor
!!!!,!"# (!"#,!"!) =
!
!
!!!!,!"# (!"#$)
+ !!"# (!!!,!"#!!"#$
(17) • KVAR total yang dilihat oleh kapasitor
!"#$!"#,!"!#$ = ! !!"#,!"!#$ ! !"!!!,!"# (!"#,!"!#$) (18) Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
7) Menghitung resistansi filter
!=
!! !
!
(19) 8) Evaluasi respon frekuensi filter: Respon frekuensi filter perlu dievaluasikan untuk
memastikan bahwa filter tidak menghasilkan resonansi pada frekuensi yang dapat
menyebabkan masalah tambahan. Resonansi paralel dengan rancangan filter seperti ini terjadi
pada orde harmonik:
!! =
! !"#
(20)
! !(!"#$) !! ! (!"#$)
9) Evaluasi batas kerja filter: dilakukan untuk memeriksa apakah unjuk kerja filter yang
didesain melebihi batas yang disyaratkan atau tidak.
Tabel 3. Definisi dan batas unjuk kerja filter
Unjuk kerja
Definisi
Tegangan
puncak
!!!!,!"# (!"#,!"#$)
!"!"#$%
!!!!,!"# (!"#,!"!#$)
!"!"#$%
!!"#,!"!#$
!!"#,!"#$%
!"#$!"#,!"!#$
!"#$ !"#$%
Tegangan rms
Arus rms
KVAR
Batas
(%)
120.00
110.00
180.00
135.00
Gbr. 3 Diagram alir optimasi reduksi harmonik dengan single-tuned filter
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
Hasil Simulasi dan Analisa
A. Kondisi Harmonik Sistem
Gambar 4 menampilkan diagram satu garis sistem tenaga listrik yang disimulasikan, yang
merupakan modifikasi dari [12].
Gbr. 4 Diagram satu garis sistem tenaga listrik
Beban non-linier menginjeksikan arus harmonik ke dalam sistem. Arus harmonik ini
menyebabkan terdistorsinya tegangan pada bus1 dan bus2. Tabel IV dan Tabel V menyajikan
profil harmonik pada tiap bus. Warna merah menunjukkan kondisi IHD yang melebihi
standar.
Tabel 4. Perbandingan Level Harmonik pada Bus1 terhadap Standar
h
5
7
11
13
Arus
ukur
19.25
6.19
6.19
4.11
tegangan
standar ukur standar
7
6.42 3
7
2.89 3
3.5
4.49 3
3.5
3.53 3
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
17
19
23
25
THD
3.42
2.73
2.07
2.07
22.18
2.5
2.5
1
1
8
4.01
3.53
3.37
3.69
11.65
3
3
3
3
5
Tabel 5. Perbandingan Level Harmonik pada Bus2 terhadap Standar
arus
ukur
5
6.50
7
2.09
11
2.11
13
1.41
17
1.19
19
0.96
23
0.73
25
0.74
THD 7.52
h
tegangan
standar ukur standar
7
5
3
7
2.5
3
3.5
5
3
3.5
2.5
3
2.5
2.5
3
2.5
2.5
3
1
2.5
3
1
2.5
3
8
9.94 5
Kedua tabel diatas menunjukkan bahwa mengalami distorsi harmonik tegangan dan arus
pada bus1 telah melebihi standar. Pada bus2, terindikasi distorsi tegangan telah melebihi
standar, sedangkan distorsi arusnya masih sesuai standar.
Perlu dilakukan upaya reduksi harmonik dengan pemasangan filter pasif. Filter pasif akan
dipasang pada bus1 sebagai node dari arus harmonik yang diinjeksikan beban non-linier.
B. Perancangan Single-Tuned Passive Filter
Jenis filter pasif yang digunakan pada sistem ini adalah single-tuned passive filter. Dari
Tabel IV diketahui bahwa orde harmonik yang paling dominan adalah orde kelima. Maka dari
itu filter akan dituning di sekitar orde kelima.
Nilai tuning factor divariasikan sampai ±0.5 orde kelima, yakni orde ke 4.5, ke 4.7, ke 4.9,
ke 5.1, ke 5.3, dan ke 5.5 dengan variasi quality factor 1 hingga 80.
Kapasitas beban sebesar 3128 kVA. Kapasitas transformator penyuplai trafo1 sebesar 4
MVA dengan impedansi 7%. Total arus harmonik kelima yang dihasilkan beban adalah
19.25%. Faktor daya yang diinginkan 0.995. Nilai distorsi tegangan pada sisi sekunder
transformator saat no load bernilai 0%.
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
C. Variasi Tuning Factor
1) Parameter dan Lokasi Pemasangan Filter: Parameter filter dengan variasi tuning factor
ditunjukkan pada Tabel VI dan lokasi pemasangan filter ditunjukkan pada Gambar 5.
Tabel 6. Parameter Filter dengan Variasi Tuning Factor Orde Kelima
Tuning
KVAR
C rated kV
max kV
Xl
L Imax
Q
R R
4.5
1200
6.3
7.26
1.633
181.3
50
0.147
4.7
1200
6.3
7.23
1.497
180.6
50
0.141
4.9
1200
6.3
7.21
1.378
180.1
50
0.135
5.1
1200
6.3
7.18
1.272
179.6
50
0.130
5.3
1200
6.3
7.16
1.177
179.2
50
0.125
5.5
1200
6.3
7.15
1.093
178.8
50
0.120
Gbr. 5 Lokasi pemasangan single-tuned filter pada bus1
2) Kondisi Harmonik Sistem dengan Variasi Tuning Factor: Kondisi harmonik yang diamati
adalah pada bus1. Gambar 6 menunjukkan bahwa masing-masing filter berhasil menekan
harmonik dengan besar reduksi THD-i diatas 10% dan THD-v diatas 4%. Reduksi terendah
didapatkan pada pemasangan filter dengan tuning factor 4.5 dan 5.5 dan reduksi tertinggi
didapatkan pada pemasangan filter dengan tuning factor 5.1. Gambar 7 menunjukkan kondisi
IHD-i pada tuning factor 5.1
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
reduksi 16 14 12 10 8 6 4 2 0 THD-­‐i THD-­‐v 4.5 4.7 4.9 5.1 5.3 5.5 tuning factor Gbr. 6 Besar reduksi THD-i dan THD-v pada variasi tuning factor
8.00 7.00 IHD-­‐I (%) 6.00 5.00 IHD-­‐i 4.00 3.00 IHD-­‐
standar 2.00 1.00 0.00 5 7 11 13 17 19 23 25 orde harmonik Gbr. 7 Perbandingan IHD-i hasil filtering dengan IHD-i standar (h=5.1)
Gambar 8 dan Gambar 9 membandingkan nilai THD saat tanpa filter dan saat
menggunakan filter dengan variasi tuning factor, terhadap standarnya.
Dari kedua gambar tersebut yang memenuhi standar IEEE untuk THD-i adalah filter
dengan tuning factor 4.9 dan 5.1, sedangkan untuk THD-v berada di luar standar pada seluruh
variasi tuning factor.
THD-i telah sesuai standar dengan tuning factor filter sebesar 4.9 dan 5.1 dan reduksi
tertinggi dicapai oleh saat tuning factor 5.1. Ini menunjukkan bahwa nilai tuning factor yang
optimal diperoleh dengan pergeseran +0.1 dari orde harmonik dominannya.
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
25 20 %THD-­‐i 15 %THD-­‐i 10 %THD-­‐I standar 5 0 tanpa 4.5 filter 4.7 4.9 5.1 5.3 5.5 tuning factor Gbr. 8 Perbandingan % THD-i terhadap %THD-i standar
14 12 %THD-­‐v 10 8 %THD-­‐v 6 %THD-­‐v standar 4 2 0 tanpa 4.5 filter 4.7 4.9 5.1 5.3 5.5 tuning factor Gbr. 9 Perbandingan % THD-v terhadap %THD-v standar
Akan tetapi, nilai IHD yang dihasilkan pada filter ini masih melebihi standar pada orde
ke 11, 23, dan 25. Karena orde harmonik dominan selain orde kelima adalah orde ke 11, maka
akan dirancang juga filter dengan tuning factor 11+0.1 untuk melengkapi filter tuning factor
5.1. Urutan pemasangan filter dengan tuning factor dari orde dominan yang paling rendah
akan mempengaruhi kondisi harmonik pada orde-orde berikutnya.
3) Parameter Filter 5.1 Dan 11.1: Kapasitas beban akan dibagi dua untuk masing-masing
filter. Perbandingan IHD dalam kondisi tanpa filter antara orde kelima dengan orde kesebelas
19.25% : 6.19% atau sekitar 3 :1. Sehingga kompensasi daya reaktif ditanggung sebesar
914.074 kvar pada filter 5.1 dan 304.69 kvar pada filter 11.1.
Tabel 7. Parameter Dua Buah Single-Tuned Filter
tuning
5.1
KVAR
900
C
rated kV 6.3
11.1
300
6.3
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
L
R
max kV
Xl
Imax
Q
R
7.18
1.696
134.7
50
0.173
6.44
1.074
39.7
50
0.238
Gbr. 10 Lokasi pemasangan 2 buah single-tuned filter
4) Kondisi Harmonik Sistem dengan 2 Single-Tuned Filter: Kondisi harmonik pada sistem
setelah dipasang dua filter ditunjukkan pada Gambar 11. Reduksi THD-i sebesar 16.11%, dan
reduksi THD-v sebesar 8.11%.
Kondisi IHD-i pada bus1 telah sesuai standar. Orde harmonik 5 dan 11 yang dominan
berhasil direduksi dengan baik. IHD pada orde 7 bernilai tinggi disebabkan adanya resonansi
paralel. Resonansi paralel terjadi pada orde 3.78 dan orde 7.33. Resonansi paralel di orde 3.78
tidak terlalu mempengaruhi kondisi harmonik. Resonansi pada orde 7.33 menyebabkan
impedansi yang tinggi di filter sehingga arus harmonik orde 7 tidak mengalir melalui filter
dan tetap bersirkulasi di sistem. Namun efek yang ditimbulkan resonansi paralel ini tidak
melebihi standar yang diizinkan.
Dari hasil ini dapat dikatakan bahwa tuning factor yang optimal adalah +0.1 dari frekuensi
harmonik dominannya dan penggunaan dua single-tuned filter untuk menekan dua komponen
harmonik dominan menunjukkan hasil yang lebih baik dibandingkan hanya dengan
menggunakan satu filter.
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
IHD-­‐I (%) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 IHD-­‐i IHD-­‐
standar 5 7 11 13 17 19 orde harmonik 23 25 Gbr. 11 Grafik IHD-i pada filter dengan tuning factor 5.1 dan 11.1
D. Variasi Quality Factor
Quality factor menentukan ketajaman tuning. Semakin tajam tuning, semakin selektif filter
dalam melewatkan arus harmoniknya dan semakin bagus filter tersebut menekan orde
harmonik yang diinginkan.
Gambar 12 menunjukkan variasi quality factor yang mempengaruhi besar impedansi dalam
domain frekuensi. Pada saat quality factor bernilai 1 dan 2, respon impedansinya konstan
pada seluruh orde harmonik. Impedansi mulai rendah pada orde ke 5.1 di quality factor 20.
Tingkat impedansi paling tajam, rendah dan cenderung konstan ketika nilai quality factor
berada di rentang 60 hingga 80, sehingga bisa dipilih quality factor dari rentang nilai ini.
Saat diimplementasikan filter dengan tuning factor 5.1 dan 11.1, serta quality factor 60,
didapatkan bentuk gelombang untuk tegangan dan arus menjadi lebih baik. Gelombang
tegangan dan arus sesudah difilter menjadi lebih baik dibandingkan sebelum difilter, terlihat
pada Gambar 13 dan Gambar 14.
3.5 3 impedansi (ohm) 2.5 2 1.5 1 0.5 0 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3 5.4 orde harmonik 1 2 3 4 5 10 20 30 40 50 60 70 80 Gbr. 12 Nilai impedansi dengan variasi quality factor
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
Gbr. 13 Gelombang tegangan sebelum difilter (merah) dan setelah difilter (biru)
Gbr. 14 Gelombang arus sebelum difilter (merah) dan setelah difilter (biru)
E. Verifikasi Kerja Filter terhadap Performa Transformator
Keberadaan harmonisa pada sistem akan menganggu performa komponen yang ada di
sistem tersebut, salah satunya transformator. Efek harmonik pada transformator adalah
peningkatan rugi-rugi dan terjadinya derating.
Derating berarti menurunkan kemampuan transformator untuk menyuplai beban. Hal ini
disebabkan karena transformator harus menanggung arus rms yang meningkat. Pembebanan
pada transformator sebesar 81%. Pemasangan filter dengan spesifikasi 2 buah single-tuned
filter tuning factor 5.1 dan 11.1, serta quality factor 60, menurunkan pembebanan menjadi
69.6%.
Dengan pemasangan filter, kemampuan transformator untuk menyuplai beban menjadi
lebih baik. Pemanasan berlebih pada transformator terkait rugi-rugi I2R dan arus eddy juga
akan menurun.
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015
Kesimpulan
Tabel 8. Perbandingan Reduksi Harmonik
Jumlah
filter
1 buah
2 buah
Tuning factor
5.1
5.1 dan 11.1
Reduksi
THD-i
14.96%
16.11%
Reduksi
THD-v
6.09%
8.11%
Kondisi
harmonik
Diluar standar
Sesuai standar
Penggunaan dua buah single-tuned filter akan menghasilkan reduksi distorsi harmonik dan
keandalan yang lebih tinggi dibandingkan dengan penggunaan satu buah filter. Tuning factor
filter yang dimulai dari orde harmonik dominan paling rendah akan mempengaruhi kondisi
harmonik pada orde-orde berikutnya.
Nilai quality factor yang sesuai untuk sistem ini sebesar 60-80. Dengan pemasangan 2 buah
single-tuned filter dengan tuning factor 5.1 dan 11.1, pembebanan pada transformator
penyuplai turun dari 81% menjadi 69.6%. Kemampuan transformator untuk menyuplai beban
menjadi lebih baik, juga pemanasan lebih akibat rugi-rugi I2R dan arus eddy akan menurun.
Daftar Acuan
Erwin Normanyo, “Mitigation of Harmonics in a Three-Phase, Four-Wire Distribution System using a
System of Shunt Passive Filters,” International Journal of Engineering and Technology, Volume 2 No. 5,
May, 2012.
[2]
Indra Firmansyah Koswara, “Analisis Pengaruh Harmonik pada Transformator daya di Industri Semen,”
Skripsi. Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok, Januari 2010.
[3]
Candra Agusman, “Analisis Perhitungan Rugi-Rugi Daya Transformator karena Harmonik,” Skripsi.
Program Sarjana Ekstensi Fakultas Teknik UI, Depok, Januari 2011.
[4]
D.M. Said and K.M. Nor., “Effects of Harmonics on Distribution Transformers,” Australasian Universities
Power Engineering Conference (AUPEC) 2008.
[5]
Bestion Alzari, “Rancang Bangun Single Tuned Filter sebagai Alat Pereduksi Harmonik untuk
Karakteristik Beban Rumah Tangga 2200 VA,” Skripsi. Program Sarjana Fakultas Teknik UI, Depok,
2011.
[6]
Young-Sik Cho & Hanju Cha, “Single-tuned Passive Harmonic Filter Design Considering Variances of
Tuning and Quality Factors,” Journal of International Council on Electrical Engineering, 1:1, 7-13 2014.
[7]
IEEE Recommended and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, IEEE Standard
519-1992
[8]
G.Suresh Babu, U.K.Choudhury, and G.Tulasi Ramdas, “A Novel Approach in the Design of Optimal
Tuning Frequency of a Single Tuned Harmonic Filter for an Alternator with Rectifier Loads,” Journal of
Theoretical and Applied Information Technology (JATIT), . © 2005 - 2010.
[9]
Power Quality, C. Sankaran, CRC Press LLC. Boca Raton, Florida. 2002.
[10] Alexandre B. Nassif and Wilsun Xu, “Passive Harmonic Filter for Medium-Voltage Industrial System:
Practical Considerations and Topology Analysis,” 39th North American Power Symposium (NAPS) 2007. [11] Roger C. Dugan, Mark. F. McGranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Beaty, “Electrical Power System
Quality,” The McGraw-Hill Companies 2004. Downloaded from Digital Engineering Library @ McGrawHill (www.digitalengineeringlibrary.com)
[12] Single Line Diagram Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Kamojang, PT. Indonesia Power Unit Bisnis
Pembangkitan Kamojang.
[1]
Variasi tuning dan quality factor pada ..., Fauziah Aini, FT UI, 2015