Analisis Unjuk Kerja Filter Pasif dan Filter Aktif pada Sisi

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
1
Analisis Unjuk Kerja Filter Pasif dan Filter Aktif
pada Sisi Tegangan Rendah di Perusahaan Semen
Tuban, Jawa Timur
Jonathan Herson Ruben, Rony Seto Wibowo, dan Ontoseno Penangsang
Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: [email protected]
Abstrak— Sistem kelistrikan di perusahaan semen Tuban
memiliki karakteristik beban motor yang menggunakan VFD.
Akibatnya terjadi permasalahan harmonisa tegangan dan arus
yang melebihi standar IEEE 519-1992. Hal tersebut berpengaruh
langsung kepada kualitas daya yang dimiliki oleh Perusahaan
Semen Tuban. Dalam penelitian ini membahas analisis unjuk
kerja filter pasif dan filter aktif yang akan dipasang di sisi
tegangan rendah dari sistem kelistrikan Perusahaan Semen
Tuban dalam meredam distorsi harmonisa. Dimana dalam
analisanya filter pasif yang digunakan yaitu single tuned filter,
sedangkan untuk filter aktif ditekankan untuk mengatasi orde
dominan kelima. Kinerja masing-masing filter tersebut akan
dilihat pada sisi tegangan rendah (0.4kV) tepatnya pada bus
834.LV23A, 834.LV241, 834.LV271, 834.LV272.
Kata Kunci— Harmonisa, Filter Aktif, Filter Pasif
memperbaiki faktor daya dapat dituliskan sebagai berikut:
∆𝑄 = 𝑃 𝑥 (𝑡𝑎𝑛𝜃1 − 𝑡𝑎𝑛𝜃2 )
(1)
B. Pengertian Harmonisa
Dalam sistem tenaga listrik yang ideal, bentuk gelombang
tegangan dan arus yang disalurkan ke peralatan konsumen
berupa sinusoidal murni[5]. Di Indonesia pembangkitan listrik
menggunakan frekuensi 50 Hz. Penggunaan beban-beban non
linear menyebabkan gelombang sinusoidal terdistorsi.
Harmonisa sistem tenaga didefinisikan sebagai komponen
sinusoidal tegangan dan arus yang mempunyai frekuensi
kelipatan bilangan bulat (integer) dari frekuensi dasar pada
kondisi steady state. Maka kesimpulannya bahwa harmonisa
ke-n merupakan kelipatan n dari frekuensi fundamental.
I. PENDAHULUAN
P
ada Industri beban nonlinear yang sangat berpengaruh
dalam menimbulkan harmonisa antara lain Variable
Frequency Drives (VFD), rectifier, inverter, Uninterruptible
Power Supply (UPS), lampu ballast, komputer[2]. Beban
nonlinear tersebut merusak sinyal sinusoidal yang ada menjadi
tidak beraturan karena sinyal tersebut mengandung banyak
orde frekuensi
Pada perusahaan semen Tuban, kebanyakan beban non
linear yang mengkontribusikan gangguan harmonisa adalah
Variable Frequency Drive (VFD). Industri ini menggunakan
VFD untuk mengatur kecepatan motor pada saat awal
dinyalakan agar arus starting motor tidak terlampau tinggi.
Penggunaan Filter Harmonisa sangat dibutuhkan untuk
meredam nilai distorsi harmonisa yang terjadi pada
perusahaan semen Tuban. Pada penelitian ini akan dibahas
mengenai perbandingan penggunaan filter aktif dan pasif pada
sisi tegangan rendah. Untuk memperbaiki kualitas daya pada
pabrik semen Tuban yang mana masing-masing filter memiliki
keuntungan dan kerugian tersendiri.
C. Sumber-Sumber Harmonisa
Pada sistem tenaga listrik, harmonisa dapat disebabkan oleh
peralatan-peralatan berikut ini[9]:
• Konverter
• Tanur Busur Listrik (Electric Arc Furnace)
• Transformator
• Mesin-Mesin Berputar
• Rectifier
D. Distorsi Harmonisa
Total Harmonic Distortion (THD) merupakan hasil
akumulasi keseluruhan komponen harmonisa yang terjadi
pada komponen fundamental, berikut perhitungannya:
𝑇𝐻𝐷 =
1
2
�∑𝑘
2 𝑈𝑛 �
𝑈1
𝑥100%
(2)
dimana :
U n : komponen harmonisa
U 1 : komponen fundamental
k
: komponen harmonisa maksimum yang diamati
II. HARMONISA
A. Faktor Daya dan Perbaikannya
Faktor daya merupakan ukuran daya yang dikirim antara
sumber dan beban. Komponen daya aktif umumnya konstan
sedangkan komponen KVA dan KVAR berubah sesuai dengan
faktor daya. Rating kapasitor yang diperlukan untuk
Berikut disajikan standar dari IEEE Std. 519-1992 dalam
menentukan limit distorsi harmonisa tegangan yang dibedakan
berdasarkan tingkat tegangan.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
Tabel 1. Limit distorsi tegangan berdasarkan IEEE Std 519-1992
Tegangan Bus Pada PCC
69 kV dan ke bawah
69,001 kV sampai 161 kV
161,001 kV dan ke atas
Distorsi
Tegangan
Individual (%)
3,0
1,5
1,0
THD
(%)
5,0
2,5
1,5
2
Distorsi harmonisa yang terjadi pada perusahaan semen
Tuban terjadi akibat VFD (Variable Frequency Drive) yang
terpasang pada beberapa motor. Menyebabkan nilai distorsi
harmonisa melebihi standar IEEE Std. 519-1992, dengan orde
dominan 5.
IV. HARMONISA, FILTER AKTIF DAN FILTER PASIF
E. Filter Harmonisa
Berdasarkan cara kerjanya, filter dibedakan menjadi dua
yaitu filter aktif dan filter pasif. Filter aktif disusun dari
peralatan – peralatan elektronika daya seperti PWM.
F. Filter Aktif
Filter aktif merupakan tipe baru untuk peralatan filter
eliminasi harmonisa dalam sistem tenaga. Filter ini disusun
dari peralatan berbasis elektronika daya. Banyak metode yang
telah dikembangkan oleh para pakar elektronika daya untuk
mengeliminasi harmonisa dalam sistem tenaga dengan
menggunakan filter aktif. Berikut ini pemakaian umum dari
filter aktif dalam sistem tenaga.
IS
IP
Sumber
AC
Penyearah
Beban
IF
Filter
Aktif
A. Simulasi Sistem dengan Penambahan Capacitor Bank
Penambahan capacitor bank dilakukan untuk mengganti
filter pasif pada bagian medium voltage. Data-data mengenai
aliran daya diambil saat beban dalam kondisi normal. Pada
keadaan ini didapat data bahwa sistem memerlukan pasokan
daya sebesar 47,440 MW yang diperoleh dari Grid PLN,
dengan faktor daya 91.94%.
Berikut diperoleh tingkat distorsi harmonisa tegangan pada
kondisi penambahan kapasitor bank.
Tabel 2. THD tegangan bus capacitor bank terpasang
Standar
Rated THD V
Bus Beban
IEEE
Kondisi
kV
(%)
(%)
BUS-834.TM23B
6.3
7.52
5
Exceeds Limit
ER23A-834.MV23A2
6.3
8.09
5
Exceeds Limit
ER26-834-MV261
6.3
5.07
5
Exceeds Limit
ER27-834-MV271
6.3
8.23
5
Exceeds Limit
ER27-834-MV272
6.3
8.22
5
Exceeds Limit
5
Exceeds Limit
ER28-834-MV281
6.3
8.20
Gambar 1. Gambar pemakaian filter aktif
ER-23B-834.MV23B
6.3
7.51
5
Exceeds Limit
G. Perencanaan Single Tuned Filter Orde 5
Filter dengan penalaan tunggal menala salah satu orde
harmonisa biasanya pada orde harmonisa rendah. Kualitas
sebuah filter (Q) ditentukan dari ketajaman penalaannya. Nilai
Q yang tinggi ditala secara tajam pada satu frekuensi
harmonisa yang rendah (contohnya ke-5) dan nilai yang umum
digunakan antara 30 dan 60.
ER-23C-834.MV23C
6.3
7.50
5
Exceeds Limit
SUB-XII-824-MV122
6.3
7.50
5
Exceeds Limit
SUB-XIV-824-MV142
6.3
8.20
5
Exceeds Limit
834.LV23A
0.4
9.71
5
Exceeds Limit
834.LV23B
0.4
7.30
5
Exceeds Limit
834.LV23C
0.4
7.27
5
Exceeds Limit
834.LV241
0.4
6.97
5
Exceeds Limit
834.LV254
0.4
5.50
5
Exceeds Limit
834.LV271
0.4
9.76
5
Exceeds Limit
834.LV272
0.4
9.49
5
Exceeds Limit
BUS-834-LV281
0.4
7.79
5
Exceeds Limit
(a)
(b)
Gambar 2. Rangkaian single tuned shunt filter (a) dan Grafik fungsi frekuensi
terhadap impedansi single tuned shunt filter (b)
III. SISTEM KELISTRIKAN EKSISTING
Pada sistem kelistrikannya di perusahaan semen Tuban
hanya berasal dari suplai langsung dari sumber PLN pada level
tegangan 150 kV. Dimana nantinya daya oleh PLN tersebut
akan diturunkan pada level tegangan beban yaitu 6.3 kV dan
o.4 kV. Perusahaan semen Tuban mengkonsumsi daya sebesar
50 MVA.
Dari tabel diatas didapatkan banyak bus yang mengalami
distorsi harmonisa. Dibutuhkan sedikitnya 7 filter pada sisi
tegangan rendah dan juga tambahan filter pasif pada sisi
tegangan menengah.
B. Kondisi Existing
Untuk penentuan penggunaan kasus yang mana dalam
mendesain filter perlu juga kita ketahui kondisi existing di
perusahaan semen Tuban Kondisi ini disaat filter MV telah
terpasang pada bus ER-23B-834.MV23B, ER24-834-MV241,
ER26-834-MV261, ER25-834-MV251, ER25-834-MV252,
ER27-834-MV271, ER27-834-MV272 dan bus ER23A-835-
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
3
MV23A2.
Pada keadaan ini didapat data bahwa sistem memerlukan
pasokan daya sebesar 47,630 MW yang diperoleh dari Grid
PLN, dengan faktor daya 95%. Selanjutnya akan disajikan
THD pada bus yang mengalami gangguan harmonisa melebihi
standar IEEE std 519-1992.
Bus Beban
834.LV23A
834.LV271
Tabel 3. THD tegangan bus kondisi existing
Standar
Rated THD V
IEEE
Kondisi
kV
(%)
(%)
Exceeds
0.4
5.34
5
Limit
Exceeds
0.4
5.04
5
Limit
Secara rinci orde harmonisa tegangan dominan keseluruhan
sistem kelistrikan yang melebihi standar tersaji dalam Tabel 4
di bawah ini, dan ditampilkan gambar spektrum pada bus
834.LV23A.
Bus Beban
Tabel 4. IHD tegangan bus kondisi existing
Standar IHD
Orde yang melebihi
IEEE (%)
standar
834.LV23A
3
5
834.LV241
3
5
834.LV271
3
5
834.LV272
3
5
kelistrikan perusahaan semen Tuban melalui bus 834.LV23A
diperoleh dari perhitungan di bawah ini:
(1)
∆𝑄 = 𝑃𝑥(tan 𝜃1 − tan 𝜃2 )
∆𝑄 = 𝑃𝑥(tan(𝑐𝑜𝑠−1 𝑃𝐹 𝑙𝑎𝑚𝑎) − tan( 𝑐𝑜𝑠 −1 𝑃𝐹 𝑏𝑎𝑟𝑢))
∆𝑄 = 959 (tan( 𝑐𝑜𝑠 −1 0,85) − tan( 𝑐𝑜𝑠 −1 0,98))
∆𝑄 = 399,60 𝑘𝑉𝐴𝑅
Besarnya daya reaktif yang akan diinjeksikan ke bus
834.LV23A adalah sebesar 399,60 kVAR dan dibulatkan
menjadi 400 kVAR. Akan tetapi karena grounding dengan
hubungan delta (delta connection) maka besar kapasitor dibagi
tiga karena injeksi kVAR pada hubungan ini bernilai 3 kali
dari hubungan bintang (wye connection) sehingga nilai
kapasitor yang digunakan untuk meredam harmonisa bus ini
sebesar 134 kVAR.
Perhitungan Single Tuned Filter Orde 5
Single Tuned Filter Orde 5 pada ETAP 7.5
menggunakan parameter satu fasa dan juga memperhitungkan
capacitor bank yang ada di pasaran sehingga kompensasi
daya reaktif sebesar 50 kVAR dipasang pada level tegangan
phasa 0,23 kV. Perhitungan nilai-nilai dari komponen
kapasitor, induktor, dan resistor adalah sebagai berikut:
a.
Kapasitor (C)
Diketahui frekuensi fundamental sistem kelistrikan
perusahaan semen Tuban menggunakan frekuensi 50 Hz.
𝑘𝑉𝐴𝑅 =
𝑉𝑝 2
𝑋𝐶
𝑘𝑉𝐴𝑅 = 𝑉𝑝 2 𝜔0 𝐶
𝐶=
b.
𝑘𝑉𝐴𝑅
𝜔0 𝑉𝑝 2
50 𝑥 103
𝐶 = (2
𝜋 50)(0,23𝑥 103 )2
= 3010𝜇𝐹
Induktor (L)
Orde yang diredam adalah orde 5, sehingga dipilih
frekuensi tuning sebesar 250 Hz. Akan tetapi diberi toleransi
sampai 247 Hz, yang bertujuan untuk mendapatkan performa
filter yang maksimal.
𝑋𝐿 = 𝑋𝐶 = 𝑋0
1
𝜔𝑛 𝐿 =
Gambar 3. Spektrum harmonisa tegangan bus 834.LV23A existing
C. Perencanaan Filter Pasif Harmonisa
Pada tahap ini akan dilakukan perencanaan filter pasif
dengan menggunakan analisis harmonisa pada kondisi
existing. Filter yang akan digunakan untuk meredam
harmonisa berjenis Single Tuned karena hanya ada 1 orde
yang dominan. Filter akan dipasang pada sisi tegangan rendah
0,4 KV dengan hubungan delta (delta connection) . Filter pasif
akan dipasang pada bus 834.LV23A, 834.LV241, 834.LV271,
834.LV272. Berikut dipaparkan perhitungan salah satu filter
pasif pada bus 834.LV23A.
Perencanaan Perbaikan Faktor Daya Bus 834.LV23A
Bus 834.LV23A memiliki faktor daya 85 % lagging.
Perbaikan faktor daya pada bus ini direncanakan hingga
mencapai 98%. Daya reaktif yang akan diinjeksikan ke sistem
𝐿=
c.
𝜔𝑛 𝐶
1
(𝜔𝑛 )2 𝐶
=
1
(2 𝜋 247)2 3010 𝑥 10−6
= 1,3807𝑥 10−4 𝐻
𝑋𝐿 = 𝜔0 𝐿 = 2 𝜋 50 (1,3807𝑥 10−4 ) = 0,0433 Ω
Resistor (R)
Faktor kualitas filter (Q) untuk jenis Single Tuned Filter
berada dalam rentang 30 sampai 60 dan dipilih Q = 40. Maka
nilai resistornya adalah:
𝑄=
𝑅=
𝑋0
𝑅
𝑋𝐿
𝑄
=
0,0433
40
= 0,001084 Ω
Setelah dilakukan perhitungan yang sama pada bus
834.LV241, 834.LV271, 834.LV272 maka didapat hasil:
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
4
Tabel 5. Desain filter pasif harmonisa di sisi tegangan rendah
ID Bus
ID Filter
Tabel 8. Parameter filter aktif
Elemen
Parameter
V DC
600 V
L1
0,5 mH
L2
2 mH
R
0,1 Ω
C
3 μF
Kp
2
Ki
0,0001
Frekuensi carrier (f c )
10000 Hz
Keterangan
0.23 kV Harmonic Filter (Single Tuned)
0.23 kV, 3Phase, 50 Hz, 50kVAR
834.LV23A
HF-LV23A
tuning frequency =250 Hz, Q factor 40
X L = 0.0433 Ω; C= 3010 μF; R= 0.0010 Ω
0.23 kV Harmonic Filter (Single Tuned)
0.23 kV, 3Phase, 50 Hz, 50kVAR
834.LV241
HF-LV241
tuning frequency =250 Hz, Q factor 40
X L = 0.0433 Ω; C= 3010 μF; R= 0.0010 Ω
0.23 kV Harmonic Filter (Single Tuned)
0.23 kV, 3Phase, 50 Hz, 62.5kVAR
834.LV271
HV-LV271
tuning frequency =250 Hz, Q factor 40
X L = 0.0346 Ω; C= 3762 μF; R= 0.0008 Ω
0.23 kV Harmonic Filter (Single Tuned)
0.23 kV, 3Phase, 50 Hz, 50kVAR
834.LV272
HF-LV272
tuning frequency =250 Hz, Q factor 40
X L = 0.0433 Ω; C= 3010 μF; R= 0.0010 Ω
Bus Beban
Tabel 6. THD bus filter pasif terpasang
Standar
Rated THD V
IEEE
kV
(%)
(%)
Kondisi
834.LV23A
0.4
2.68
5
Safe
834.LV241
0.4
2.63
5
Safe
834.LV271
0.4
2.41
5
Safe
834.LV272
0.4
2.41
5
Safe
Setelah dipasang filter pasif diketahui bahwa seluruh bus di
sistem kelistrikan perusahaan semen Tuban, nilai total distorsi
harmonisa tegangannya sudah memenuhi standar IEEE Std.
519-1992.
D. Filter Aktif Harmonisa
Pada tahap ini digunakan filter aktif pada sisi tegangan
rendah untuk meredam harmonisa. Pemodelan filter aktif
menggunakan program lainnya, yang lalu diambil data
penurunan tingkat distorsi harmonisanya. Tahap selanjutnya
melihat distorsi harmonisa sistem kelistrikan perusahaan
semen Tuban, dimana pemasangan filter aktif pada bus
834.LV23A, 834.LV241, 834.LV271, 834.LV272.
Berikut akan disajikan pemodelan filter aktif, dengan beban
non linear dan parameter filter aktif yang digunakan dalam
simulasi ini.
Gambar 4. Simulasi filter aktif
Data penurunan tingkat distorsi harmonisa pada simulasi ini
digunakan sebagai dasar penurunan tingkat distorsi harmonisa
pada sistem kelistrikan perusahaan semen Tuban. Dibawah
akan ditunjukkan tabel penurunan tingkat distorsi harmonisa
setelah dipasang filter aktif.
Tabel 9. Nilai distorsi harmonisa arus dari simulasi
Filter belum
Filter
terpasang (%)
Terpasang(%)
Harmonisa
THD I (%)
Nilai
7
IHD Orde 5
19,8
3,2
IHD Orde 7
7,3
2,09
IHD Orde 11
2,2
0,6
IHD Orde 13
1,8
0,2
Setelah didapatkan penurunan tingkat distorsi harmonisa.
maka dilakukan simulasi untuk sistem kelistrikan perusahaan
semen Tuban dengan memasukkan penurunan distorsi
harmonisa di atas. Tabel berikut memperlihatkan hasil
harmonisa tegangan pada bus 834.LV23A, 834.LV241,
834.LV271, 834.LV272.
Tabel 7. Data beban nonlinear
Beban non linear
20
Bus Beban
Tabel 10. THD bus filter aktif terpasang
Standar
Rated THD V
IEEE
kV
(%)
(%)
Kondisi
Capacitor
0.94 mF
834.LV23A
0.4
2.23
5
Safe
Induktor
2.5 mH
834.LV241
0.4
2.08
5
Safe
Resistor
25 Ω
834.LV271
0.4
1.98
5
Safe
834.LV272
0.4
1.95
5
Safe
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
5
E. Unjuk Kerja Filter Pasif dan Filter Aktif
Berikut disajikan data perbandingan antara filter aktif dan
filter pasif pada bus yang terpasang filter harmonisa.
sehingga berada di bawah standar IEEE Std. 5191992. Akan tetapi filter aktif lebih baik bekerja
dalam meredam distorsi harmonisa tegangan
dibandingkan menggunakan filter pasif dengan
selisih rata-rata 0.4%.
Tabel 11. THD tegangan dari unjuk kerja filter aktif dan filter pasif
THD V (%)
Setelah
Pemasangan
Filter Pasif
Setelah
Pemasangan
Filter Aktif
834.LV23A
5.34
2.68
2.23
834.LV241
4.86
2.63
2.08
834.LV271
5.04
2.41
1.98
[3]
834.LV272
4.87
2.41
1.95
[4]
Bus Beban
Kondisi
existing
Tabel 12. THD arus dari unjuk kerja filter aktif dan filter pasif
DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
[5]
THD I (%)
Bus Beban
Kondisi
existing
Setelah
Pemasangan
Filter Pasif
Setelah
Pemasangan
Filter Aktif
834.LV23A
8.45
2.75
2.81
834.LV241
6.31
2.06
2.28
834.LV271
5.42
1.70
1.78
834.LV272
5.90
1.88
2.00
Tetapi pada filter aktif tidak mengompensasi daya reaktif
kepada sistem sehingga terjadi perbedaan di bus main
substation yang disajikan pada tabel 13.
Tabel 13. PF pada mainsub dari unjuk kerja filter aktif dan filter pasif
PF (%)
PF (%)
Bus Beban
kV
Filter Pasif
Filter Aktif
BUS PLN
150
96.4
95.0
MAIN BUS 1 TUBAN IV
150
96.4
95.0
V. KESIMPULAN/RINGKASAN
Dari hasil unjuk kerja masing-masing filter harmonisa
didapat sebagai berikut:
1.
Filter pasif Single Tuned Filter orde 5 yang
terpasang pada bus 834.LV23A, 834LV241,
834LV271, 834LV272 telah berhasil meredam
distorsi harmonisa orde 5 yang terjadi pada bus
tersebut. Begitu juga filter aktif jika dipasang pada
bus tersebut berhasil menurunkan distorsi hingga
±2%
2.
Untuk Faktor daya pada main substation filter
pasif bekerja lebih baik dibandingkan filter aktif
karena menyuplai daya reaktif ke sistem sehingga
faktor daya pada bus BUS PLN menjadi 96.4%.
3.
Harmonisa arus dan tegangan untuk keseluruhan
sistem berhasil diturunkan, khususnya pada bus
834.LV23A, 834LV241, 834LV271, 834LV272,
[6]
[7]
[8]
[9]
IEEE Std. 18-2002. “IEEE Standard for Shunt Power Capacitors”.
IEEE Std. 519-1992. “IEEE Recommended Practices and Requirements
for Harmonic Control in Electrical Power Systems”.
IEEE Std. 1159.3-2003. “IEEE Recommended Practice for the Tranfer
of Power Quality Data”.
Rizkytama, Ardian. “Perencanaan High Pass dan Single Tuned
Sebagai Filter Harmonisa Pada Sistem Kelistrikan Tabang Coal
Uograding Plant (TCUP) Kalimantan Timur”. Tugas Akhir. ITS. 2009.
Stevenson, William D, “Analisis Sistem Tenaga Listrik ”, Diterjemahkan
oleh Kamal Idris, Erlangga, Jakarta.1983.
Werda Mukti, Ersalina. “Analisis Pemasangan Electrolyzer dan
Perencanaan Filter Harmonisa Pada Sistem Kelistrikan PT. Wilmar
Gresik Untuk Meredam Tingkat Distorsi Harmonisa”. Tugas Akhir. ITS.
2011.
MCGranaghan, Mark. “Active Filter Design and Specification for
Control of Harmonics in Industrial and Comercial Facilities”. USA.
Fourier, J.B.J. “Theorie analytique de la chaleur”. Paris.1822.
IEEE Std. 1531-2003. “Guide for Application and Specification of
Harmonic Filters”.