pemodelan dan simulasi filter aktif shunt menggunakan teorema

PEMODELAN DAN SIMULASI FILTER AKTIF SHUNT
MENGGUNAKAN TEOREMA DAYA SESAAT
SEBAGAI KOMPENSASI HARMONIK
Nuryanda Akbar Ramadhan1#, Amien Rahardjo2#
#1,2
Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia
Kampus Baru UI, Depok, 16424, Indonesia
1
[email protected]
2
[email protected]
Abstrak - Harmonik merupakan salah satu permasalahan
kualitas daya berupa distorsi gelombang arus dan tegangan
akibat pemakaian beban non linier. Harmonik kini menjadi
perhatian karena memiliki dampak yang merugikan sistem
tenaga listrik. Salah satu cara untuk mengurangi harmonik
adalah penggunaan filter aktif shunt. Pada skripsi ini, penulis
melakukan pemodelan dan simulasi kerja filter aktif shunt
menggunakan teorema daya sesaat (pq) dimana prinsip kerjanya
berdasarkan besaran daya aktif dan reaktif pada domain waktu.
Besaran arus beban dideteksi filter menggunakan teknik
estimasi arus referensi teorema daya sesaat (pq), lalu didapatkan
besaran arus kompensasi harmonik. Selanjutnya menggunakan
sistem kendali arus hysteresis, dibangkitkan arus gerbang yang
akan menjadi masukan PWM inverter. PWM inverter akan
membangkitkan arus kompensasi harmonik sesuai besaran arus
harmonik yang dihasilkan beban dan menginjeksikan arus
kompensasi harmonik secara paralel ke sistem, sehingga
menghilangkan arus harmonik asli yang dihasilkan beban. Dari
hasil simulasi didapatkan filter aktif shunt mampu mengurangi
THD arus dari 30.56% menjadi 4.06% pada jenis pembebanan
non linier murni memakai rectifier. Pada pembebanan seimbang
dan tidak seimbang, filter aktif shunt juga mampu mengurangi
THD arus dengan baik
Kata Kunci – harmonic, filter aktif shunt, teorema daya sesaat,
kendali hysteresis
Abstract—Harmonic is one of some power quality problems,
which distorted voltage and current waveform are occurred
because of the use of non-linier loads. Nowadays, harmonic gets
many attention because it has many dangerous drawbacks to power
system. One of some solutions to reduce harmonic is by using shunt
active filter. In this thesis, writer use harmonic modeling and
simulation to show the performance of shunt active filter using
instantaneous reactive power theory (pq theory), which works
based on active and reactive power in time domain. Load current
are detected using pq theory as reference current estimation
technique. Then using hysteresis current controller, gating signal is
generated. This gating signal is used by PWM Inverter to generate
harmonic compensation current, which will be injected paralel to
system. Harmonic current which is generated by non-linier loads
will be reduced by this harmonic compensation current. From the
simulation using SIMULINK, shunt active filter can performs well
by reducing THD current from 30.56% to 4.06% in non liniear
loads modeling using rectifier. In balanced and unbalanced loads
modeling, shunt active filter also performs well in reducing THD
current.
Keywords – shunt active filter, instantaneous reactive power
theory, hysteresis current controller
I. PENDAHULUAN
Kualitas daya merupakan salah satu aspek penting dalam
sistem tenaga listrik pada saat ini. Kualitas daya didefinisikan
sebagai semua permasalahan daya listrik, berupa
penyimpangan nilai tegangan, arus, dan frekuensi dari kondisi
normalnya, yang dapat menyebabkan buruknya kinerja
peralatan listrik. Kualitas daya mendapatkan perhatian lebih
dengan semakin banyaknya penggunaan beban-beban berbasis
elektronika daya dan beban lain yang sangat sensitif terhadap
perubahan besaran listrik.
Salah satu permasalahan daya listrik yang penting diamati
adalah harmonik, yakni timbulnya arus dan tegangan dengan
frekuensi kelipatan frekuensi fundamentalnya. Harmonik
disebabkan oleh penggunaan beban non-linier dimana
hubungan antara tegangan dan arus tidak linier. Beban nonlinier ini dapat berupa sumber daya satu fasa, lampu yang
memakai ballast elekronik, konverter, arching device dan lain
lain. Harmonik dapat berakibat pada tiap sisi sistem tenaga
listrik, baik dari sisi pembangkitan sampai penerima. Di sisi
pengirim harmonik dapat meningkatkan impedansi saluran
transmisi sehingga meningkatkan rugi rugi saluran. Harmonik
juga menyebabkan masalah berupa pemanasan pada trafo,
motor dan generator. Di sisi penerima, harmonik dapat
menyebabkan peralatan elektronik bekerja dengan tidak
semestinya, termasuk juga putusnya sekering dan gangguan
pada pemutus rangkaian.
Dengan kondisi ini, maka diperlukan peralatan yang
dapat mengurangi harmonik dalam sistem tenaga listrik. Salah
satu peralatan yang digunakan adalah filter aktif shunt,
dimana filter aktif ini akan menginjeksikan arus untuk
meniadakan arus harmonik dari beban non linier secara
parallel. Penggunaan jenis filter aktif memiliki beberapa
keuntungan dibandingkan filter pasif, yakni kemampuan
melakukan filter arus harmonik untuk kondisi pembebanan
yang berubah ubah dan kemampuan untuk mereduksi arus
Pemodelan Dan..., Nur Yanda Akbar Ramadhan, FT UI, 2014
reaktif, selain arus harmonik. Selain itu, filter aktif juga tidak
menghasilkan bahaya resonansi, seperti filter pasif. Melihat
kelebihan ini, filter aktif, terutama filter aktif shunt, lebih
banyak digunakan sebagai peralatan pengurang arus harmonik,
terutama setelah berkembangkan teknologi elektronika daya
dalam industri ketenaga listrikan.
Berdasarkan kondisi yang telah dijabarkan diatas, Penulis
mengajukan penggunaan filter aktif shunt sebagai solusi untuk
mengatasi permasalahan harmonik. Maka skripsi ini akan
membahas mengenai pemodelan dan simulasi filter aktif shunt
untuk memfilter harmonik yang terjadi pada sistem distribusi.
II. HARMONISA
Total Harmonic Distortion ( THD ) merupakan ukuran dari
nilai efektif suatu komponen harmonik dari gelombang yang
terdistorsi. Atau untuk lebih jelasnya, THD merupakan jumlah
perbandingan antara jumlah daya dari semua orde harmonik
dengan daya pada frekuensi dasar ( orde 1 ). THD dapat dicari
dengan rumus :
Rumus THD diatas dapat digunakan untuk menghitung
THD tegangan maupun arus, dengan Mh merupakan besar
tegangan maupun arus pada orde h. Dengan M1 diatas adalah
besar nilai tegangan atau arus pada frekuensi dasar ( h = 1 ).
THD juga dapat merubah nilai RMS dari tegangan maupun
arus, dan nilai RMS tersebut dapat dicari dengan rumus :
III.FILTER AKTIF SHUNT
Filter aktif shunt adalah filter aktif yang dipasang secara
paralel pada PCC dan melakukan kompensasi arus harmonik
yang dihasilkan beban non linier. Filter ini terdiri dari
kapasitor DC-Bus, Voltage Source Inverter (VSI), Induktor
dan sistem kendali. Blok cara kerja filter aktif shunt dapat
dilihat pada skema gambar 2.12.
Tidak Prinsip kerja filter aktif shunt dapat dijelaskan dari
blok pada skema gambar 2.12 sebagai berikut:
1. Sistem Pendeteksi Arus dan Tegangan
Filter aktif akan mendeteksi besaran arus dan tegangan beban
atau sistem secara terus menerus secara secara real time.
2. Sistem Teknik Estimasi Sinyal Referensi
Pada bagian ini, input tegangan (VL) dan arus beban (IL) akan
diproses dan dihasilkan arus referensi, dimana arus referensi
ini adalah arus harmonik yang telah dipisahkan dengan arus
fundamental dari arus beban. Arus referensi ini akan menjadi
masukan bagi sistem pengendali arus gerbang.
3. Sistem Teknik Kendali Arus Gerbang
Pada blok ini, besaran arus referensi akan dibandingkan
dengan besaran arus beban pada saat itu melalui teknik
kendali untuk menghasilkan keluaran arus gerbang atau gating
bagi VSI. Arus ini berguna untuk menentukan switching pada
inverter agar menghasilkan arus yang sesuai dengan arus
referensi
4. Sistem Voltage Source Inverter (VSI)
Setelah mendapat sinyal gating, maka VSI akan melakukan
konversi arus DC dari elemen penyimpan energi (kapasitor)
menjadi arus AC. VSI sendiri merupakan perangkat
elektronika daya untuk switching yang dapat berupa dioda,
IGBT, thyristor, dll. Untuk bekerja, VSI membutuhkan suplai
daya dari elemen penyimpan energi seperti kapasitor. VSI
akan menghasilkan arus kompensasi harmonik (Ic) yang
besarnya sesuai dengan arus referensi
5. Sistem Interfacing Inductor
Arus kompensasi yang dihasilkan filter aktif shunt akan
dialirkan ke sistem melalui induktor pada PCC. Besaran arus
kompensasi (Ic) ini akan menghilangkan arus harmonik yang
harus disuplai sumber bagi beban non-liniear.
IV. TEOREMA DAYA SESAAT
Teorema daya sesaat bekerja berdasarkan besaran daya
aktif dan daya reaktif pada domain waktu. Besaran tegangan
dan arus tiga fasa dalam kordinat abc ke koordinat αβ0
menggunakan transformasi Clarke. Lalu besaran ini
didefinisikan menjadi daya sesaat yang akan menentukan
besaran arus kompensasi untuk meniadakan arus harmonik
dari beban non linier.
Pemodelan Dan..., Nur Yanda Akbar Ramadhan, FT UI, 2014
Pada transformasi Clark, tegangan dan arus tiga fasa
ditransformasi menggunakan persamaan (2.6) dan (2.7)
berikut.
−1/2 !"
!"
! 1 −1/2
=
(2.3)
!"
! 0
!"
3/2 − 3/2
!"
−1/2 !"
!"
! 1 −1/2
=
(2.4)
!"
! 0
!"
3/2 − 3/2
!"
Besarnya daya sesaat dapat dituliskan sebagai berikut
! = !"#" + !"#" + !"#"
(2.5)
Dari persamaan diatas, daya sesaat dapat dituliskan dalam
bentuk koordinat αβ0 menjadi
!
!" !" !"
(2.6)
! = −!" !" !"
Daya aktif dapat dituliskan sebagai:
! = !" !" + !" !"
(2.7)
Sedangkan daya reaktif dapat dituliskan sebagai:
! = !" !" − !" !"
(2.8)
Besarnya arus kompensasi dalam koordinat αβ dituliskan
!" −!" !" + !"#$$
!"# ∗
!
= !
(2.9)
!" !!" ! !"
−!
!"# ∗
!"
Dengan menggunakan invers transformasi Clarke, maka
besaran arus kompensasi dalam koordinat abc dituliskan
sebagai berikut
1
0
!"# ∗
∗
!
3/2 !"# ∗
(2.10)
!"# ∗ = ! −1/2
!"#
!"" ∗
−1/2 − 3/2
Terdapat dua jenis kendali hysteresis, yakni kendali hysteresis
dengan fixed band dan sinusoidal band. Kendali
menggunakan fixed band lebih banyak digunakan dan akan
digunakan pada skripsi ini. Keuntungan pemakaian kendali
hysteresis adalah penggunaannya yang sederhana dan
kemampuannya yang baik untuk mengendalikan ripple arus
puncak melalui hysteresis band. Untuk mengurangi ripple
dapat dilakukan dengan mengurangi besaran H. Namun, hal
ini dapat menyebabkan frekuensi switching yang lebih cepat
yang menyebabkan kenaikan losses pada switching transistor.
VI. HASIL DAN ANALISIS
Simulasi dilakukan menggunakan perangkat lunak
MATLAB SIMULINK. Pemodelan Simulink untuk simulasi
ini adalah sebagai berikut
V. KENDALI HYSTERESIS
Kendali Hysteresis adalah jenis teknik kendali arus pada
filter aktif dimana arus atau tegangan kompensasi filter
dipaksa mengikuti besar sinyal referensi dalam suatu batas
toleransi hysteresis yang biasa disebut hysteresis band. Prinsip
kerja kendali ini dapat dilihat pada gambar berikut
A. Hasil Simulasi Pemodelan Tanpa Filter Aktif Shunt
Pada pemodelan tanpa menggunakan filter aktif shunt, akan
dilihat besarnya arus harmonik yang ditimbulkan beban non
linier berupa rectifier tiga fasa dengan beban R-L 20 ohm –
20mH. Berikut adalah hasil simulasi pemodelan sistem
pembebanan tanpa filter aktif.
Nilai arus atau tegangan referensi (Iref atau Vref) akan
dibandingkan dengan nilai arus atau tegangan kompensasi (If
atau Vf), dimana hasil perbedaan besaran ini akan dimasukan
melalui hysteresis band comparator. Besaran Hysteresis band
ini adalah batas atas dan batas bawah dari deviasi sinyal (H)
yang didesain oleh pengendali. Hasil dari hysteresis band
comparator akan menentukan sinyal gating bagi inverter.
Switching akan berlangsung bila perbedaan antara nilai If /Vf
dengan Iref/Vref menyentuh hysteresis band. Proses switching
pada filter dibuat sedemikian rupa agar besarnya
arus/tegangan kompensasi maksimum dibatasi pada nilai
hysteresis band H.
Arus Sumber Tanpa Filter
Pemodelan Dan..., Nur Yanda Akbar Ramadhan, FT UI, 2014
Arus Sumber Setelah Kompensasi
Grafik THD
Dari hasil simulasi ini, dapat terlihat bahwa besarnya arus
beban maksimum sebesar 27.87 A dan arus rms sebesar 19.71
A. Pada simulasi ini besarnya arus sumber setara dengan arus
beban. Besarnya harmonik berupa THD arus yang terjadi
sebesar 30.56%. Dari penyimpangan arus ini, orde harmonik
yang menyumbang penyimpangan terbesar berturtu turut
adalah Orde 5 (20.63 %), Orde 7 (13.54 %), Orde 11 (8.94%),
Orde 13 (7.46%), Orde 17 (5.76%).
B. Hasil Simulasi Pemodelan Beban Non Linier Dengan
Filter Aktif Shunt
Pada pemodelan dengan menggunakan filter aktif shunt
dengan pembebanan seperti keadaan sebelumnya, didapatkan
THD arus berkurang dari 30.56% menjadi 4.06%. Nilai ini
sudah sesuai dengan standar IEE yakni < 5%. Arus sisi beban
yang belum murni sinusoidal dengan masih adanya ripple
diakibatkan oleh kerja dari filter aktif shunt yang
menggunakan PWM inverter yang juga menghasilkan
harmonik. Harmonik dari inverter ini telah dikurang dengan
penambahan induktor kopling pada PCC untuk mengurangi
arus harmonik filter akibat switching dengan frekuensi tinggi.,
namun tidak dapat dihilangkan dengan sempurna. Berikut
adalah hasil THD arus untuk beberapa orde yang
menghasilkan THD terbesar.
R
S
T
THD
THD
THD
THD
THD
THD
OR
Sebel Sesud Sebel Sesud Sebel Sesud
DE
um
ah
um
ah
um
ah
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
3
0.1
0.06
0.1
0.06
0.1
0.11
5
20.63
0.44
20.63
0.43
20.63
0.41
7
13.54
0.49
13.54
0.53
13.54
0.54
9
8.94
0.04
8.94
0.08
8.94
0.04
11
7.46
0.63
7.46
0.65
7.46
0.65
13
5.76
0.45
5.76
0.44
5.76
0.44
Arus Kompensasi
C. Hasil Simulasi Pemodelan Beban Non Linier dan Beban
Linier Seimbang Dengan Filter Aktif Shunt
Pada pemodelan ini, beban non linier yang digunakan adalah
rectifier tiga fasa dengan beban R-L 20 ohm-20mH.
Sedangkan beban liniear yang digunakan adalah beban R-L
seimbang dengan masing masing fasa sebesar 10 ohm – 10mH.
Hasil simulasi dapat dilihat pada tabel berikut
R
S
T
THD
THD
THD
THD
THD
THD
OR
Sebel Sesud Sebel Sesud Sebel Sesud
DE
um
ah
um
ah
um
ah
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
3
0.01
0.1
0.01
0.1
0.01
0.1
5
10.13
0.2
10.13
0.24
10.13
0.27
7
6.68
0.26
6.68
0.24
6.68
0.23
9
0.01
0.01
0.01
0.03
0.01
0.04
11
4.4
0.31
4.4
0.29
4.4
0.28
13
3.68
0.27
3.68
0.28
3.68
0.28
Dari simulasi kerja filter aktif ini, didapatkan THD arus secara
umum berkurang dari 15.03% menjadi 2.12%. Sehingga dapat
dikatakan telah sesuai dengan standar, yaitu < 5%.
D. Hasil Simulasi Pemodelan Beban Non Linier dan Beban
Linier Tidak Seimbang Dengan Filter Aktif Shunt
Pada pemodelan ini beban non linier yang digunakan adalah
rectifier tiga fasa dengan beban R-L 20 ohm-20mH.
Sedangkan beban liniear tak seimbang yang digunakan
masing masing sebesar 10 ohm-10 mh(Fasa R), 5 ohm-5mH
(fasa S) dan 3ohm – 3mH (fasa T). Hasil simulasi dapat dilihat
pada tabel dibawah ini.
R
S
T
THD
THD
THD
THD
THD
THD
ORD
Sebel Sesud Sebel Sesud Sebel Sesud
E
um
ah
um
ah
um
ah
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
3
0.01
0.61
0.01
0.57
0.01
0.6
5
8.99
0.17
6.3
0.18
5.92
0.23
7
5.92
0.2
4.15
0.17
3.92
0.16
9
0.01
0.02
0.01
0.04
0.01
0.03
11
3.9
0.2
2.73
0.17
2.58
0.17
13
3.26
0.19
2.29
0.2
2.16
0.21
Didapatkan dari simulasi besarnya arus beban harmonik
sebelum dikompensasi masing masing untuk fasa R,S,T
sebesar 13.31%, 9.35% dan 8.82%. Besarnya THD arus lebih
kecil dan berbeda untuk tiap fasa dikarenakan beban tidak
seimbang yang diparalelkan dengan beban non linier rectifier
tiga fasa.
VII. KESIMPULAN
Kesimpulan yang bisa penulis tarik dari penulisan skripsi
ini adalah :
1 Berdasarkan hasil simulasi, filter aktif shunt
menggunakan teorema daya sesaat dapat mengurangi arus
harmonik dengan baik untuk kondisi pembebanan
seimbang dan pembebanan tidak seimbang
Pemodelan Dan..., Nur Yanda Akbar Ramadhan, FT UI, 2014
2
Filter aktif shunt menggunakan teorema daya sesaat
secara umum mampu mengurangi THD arus dari 30.56%
menjadi 4.06% untuk beban murni non linier
Untuk kondisi pembebanan seimbang, filter aktif shunt
menggunakan teorema daya sesaat mampu mengurangi
THD arus dari 15.03% menjadi 2.12%. Sedangkan untuk
kondisi pembebanan tak seimbang, filter aktif shunt
menggunakan teorema daya sesaat mampu mengurangi
THD arus dari 13.31%, 9.35% dan 8.82% menjadi 1.68%,
1.68%,1.72%.
3
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
REFERENSI
H. Akagi (1996), New Trends in Active Filters for
Power Conditioning. IEEE Trans. on Industry
Applications, Vol. 32, no. 6, pp. 1312-1322.
Akagi, H, Wanatabe, E. Hirokazu, Aredes, M (2007),
Instantaneous Power Theory and Applications to
Power Conditioning. IEEE-press.
Shahbaz, Muhammad (2012). Active Harmonics
Filtering for Distributed AC System. Trondheim:
Norwegian University of Science and Technology,
Department of Electrical Power Engineering, Master
of Science in Electrical Power Engineering.
Salam, Zainal (2006). Harmonic Mitigation using
Active Power Filter: A Technological Review. Johor:
University Teknologi Malaysia, Department of
Energy
Conversion,
Faculty
of
Electrical
Engineering.
Jain, Nenceey, Gupta, Amit (2014), Comparison
between Two Compensation Current Control
Methods of Shunt Active Power Filter. International
Journal of Engineering Research and General
Science Volume 2 Issue 5.
Kale, Murat, Ozdemir, Engin (2004), Adaptive
Hysteresis Band Current Controller for Shunt Active
Power Filter. Izmit: Kocaeli University, Electrical
Education Department, Technical Education Faculty.
Putra, M. Ikhsan (2014), Harmonisa Peralatan
Rumah Tangga dan Efek Harmonisa Terhadap
Penyimpangan Pembacaan kWh Meter Digital.
Depok : Fakultas Teknik, Program Studi Teknik
Elektro.
Roger C. Dugan, et al., Electrical Power System
Quality, McGraw Hill, New York, 2002
IEEE Std 1250™-2011 (Revision of IEEE Std 12501995)
Mohan, N., Undeland, T. M., & Robbins, W. P.
(2003). Power Electronics : Converters, Applications,
and Design. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
Chapman, Stephen J. (2005). Electric Machinery
Fundamentals-Fourth Edition. Mc Graw Hill
Pemodelan Dan..., Nur Yanda Akbar Ramadhan, FT UI, 2014