kompensasi daya reaktif pada sistem kelistrikan industri

KOMPENSASI DAYA REAKTIF PADA SISTEM KELISTRIKAN INDUSTRI
MENGGUNAKAN FILTER PASIF DAN THYRISTOR CONTROLLED REACTOR (TCR)
BERBASIS FUZZY LOGIC CONTROLLER
KUKUH WIDARSONO - 2208100504
Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga
Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya-60111
Email: [email protected]
Perusahaan penambangan batu bara banyak menggunakan motor yang dilengkapi Variable Speed Drive (VSD)
dalam proses penambangannya. Variable Speed Drive (VSD) merupakan suatu peralatan elektronika daya yang
berfungsi untuk mengatur kecepatan motor, namun penggunaan Variable Speed Drive (VSD) dapat menimbulkan
masalah baru yang dapat menurunkan kualitas daya pada sistem kelistrikan, masalah tersebut adalah harmonik. Solusi
saat ini yang banyak digunakan untuk mengatasi masalah tersebut adalah filter pasif yang di kombinasikan dengan
Thyristor Controlled Reactor (TCR). Tugas akhir ini membahas desain filter pasif dan TCR berbasis Fuzzy Logic
Controller (FLC). Filter pasif merupakan filter yang digunakan untuk menyerap harmonisa yang terjadi pada sistem dan
juga sebagai kompensasi daya reaktif. Filter pasif yang digunakan disini adalah jenis filter single tuned. Sedangkan
TCR (berbasis FLC) merupakan rangkaian induktor dan thyristor yang dikontrol menggunakan Fuzzy Logic dengan
tujuan menjaga kestabilan power factor sistem. Rangkaian filter pasif dan TCR ini dipasang pada belitan tersier dari
trafo 3 belitan. Dalam simulasi ini plant yang digunakan adalah Tabang Coal upgrading Plant (TCUP). TCUP adalah
perusahaan tambang batu bara yang ada di Kalimantan timur. Setelah disimulasikan didapatkan bahwa pemasangan
filter pasif dan TCR dapat meningkatkan power factor dari 89% menjadi 95% sekaligus menjaga kestabilan power
factor pada point 95%. Selain itu, pemasangan filter pasif juga menurunkan THD arus dari 17% menjadi 1.44%.
Kata Kunci : Single Tuned, Harmonic, Faktor Daya, TCR, Fuzzy
1.
PENDAHULUAN
Dalam suatu industri banyak digunakan
peralatan elektronika daya. Peralatan ini digunakan untuk
memaksimalkan pemakaian daya aktif dan juga
digunakan untuk pengaturan putaran motor. Penggunanan
peralataan ini menimbulkan masalah baru. Proses
swicthing yang terjadi pada proses pengaturan putaran
motor menyebabkan rusaknya gelombang fundamental.
Rusaknya gelombang ini karena adanya gelombang lain
dengan frekuensi kelipatan dari gelombang fundamental
yang bercampur atau disebut dengan harmonisa.
Pada industri batubara Tabang Coal upgrading
Plant (TCUP) banyak digunakan Variable Speed Drive
(VSD). Hal ini yang menyebabkan munculnya harmonisa
pada sistem. Untuk mengurangi harmonik yang terjadi
pada sistem akibat penggunaan peralatan pengaturan
putaran motor tersebut, maka didalam sistem dipasang
filter. Filter yang dipasang disini merupakan filter pasif.
Selain itu, sistem juga dipasang TCR. Filter pasif
merupakan filter yang digunakan untuk menyerap
harmonisa yang terjadi pada sistem dan juga sebagai
kompensasi daya reaktif. Filter pasif yang digunakan
disini adalah jenis filter single tuned. Sedangkan TCR
(berbasis FLC) merupakan rangkaian induktor dan
thyristor yang dikontrol menggunakan Fuzzy Logic
dengan tujuan menjaga kestabilan power factor sistem.
Fuzzy logic telah dikenal sebagai metode yang
efektif dan handal untuk menyelesaikan permasalahan
yang rumit dan kompleks untuk diselesaikan secara matematis dengan menggunakan konsep ambiguitas dan
ketidaktepatan. Kelebihan menggunakan teori fuzzy
adalah tidak memerlukan model matematik yang rumit
sehingga memudahkan proses perancangan sistem
kontrol, aturan fuzzy bersifat sederhana sehingga mudah
dimengerti, memiliki fleksibilitas yang tinggi karena
mudah mengubah aturan sesuai kebutuhan, serta fuzzy
merupakan model yang independen, memiliki kekokohan
yang tinggi, dan mampu beradaptasi. Sehingga aplikasi
fuzzy logic banyak dipergunakan dan terbukti efektif
untuk memperbaiki performansi pada sistem tenaga listrik
[1,2].
PF
PFref
FLC
TCR
Komparator
Signal carieer
Filter Pasif
Beban
Gambar 1. Blok diagram perencanaan filter dan kontrol TCR
Gambar 1 diatas menunjukan diagram dari
keseluruhan filter dan sistem kontrol. Blok diagram
tersebut merupakan siklus tertutup dimana output dari
sistem adalah besarnya daya reaktif yang akan diserap
oleh TCR dan feed back sistem adalah power factor
terukur. Dalam perencanaan ini, sistem kontrol dan filter
akan dipasang secara paralel pada sisi tersier trafo
terpisah dengan beban.
Diharapkan dengan pemasangan filter pasif dan
TCR pada sistem, dapat meredam harmonisa yang terjadi.
Selain itu, perubahan power factor sistem akibat
perubahan beban selama proses produksi dapat di kontrol
dengan baik.
2.
TEORI PENUNJANG
FAKTOR DAYA
Faktor daya merupakan salah satu indikator baik
buruknya kualitas daya listrik. Faktor daya didefinisikan
sebagai perbandingan antara daya aktif dan daya reaktif.
Faktor daya juga disimbolkan sebagai cos , dimana:
P
(1)
Cos θ = pf =
S
Daya aktif adalah daya yang digunakan sistem untuk
bekerja. Sedang daya reaktif adalah daya yang digunakan
sistem untuk membangkitkan medan. Pada suatu tegangan
V, daya aktif, daya reaktif dan daya total adalah
sebanding dengan arus dan akan sesuai dengan persamaan
2, yaitu:
S = P2 + Q2
= (V ⋅ I ⋅ Cosθ )2 + (V ⋅ I ⋅ Sinθ )2
(2)
Salah satu cara yang lazim untuk memperbaiki
faktor daya adalah dengan cara kompensasi daya reaktif
dimana sebagian kebutuhan daya reaktif yang dibutuhkan
beban didapat dari kompensator daya reaktif. Salah satu
kompensator daya reaktif adalah kapasitor bank dengan
rating kvar sebagai berikut:
(
∆Q = P × tan ϑ awal − tan ϑ t arg et
)
sedangkan pada gambar 3, adalah gambar perbaikan
faktor daya dengan kompensator daya reaktif (kapasitor)
yang dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya beban
adalah sebagai berikut:
Daya reaktif pada p.f awal
(4)
Q1 = P1 x tan θ1
Daya reaktif pada p.f yang diperbaiki
(5)
Q2 = P2 x tan θ 2 ;
dimana P2 = P1 = konstan
Sehingga rating kapasitor yang diperlukan untuk
memperbaiki faktor daya adalah,
Daya reaktif
( ∆Q ) = Q1 – Q2
(6)
Atau,
Daya reaktif
( ∆Q ) = P x (tan θ1 - tan θ 2 )
(7)
HARMONISA
Harmonik adalah gangguan yang terjadi dalam
sistem distribusi tenaga listrik yang disebabkan adanya
distorsi gelombang arus dan tegangan [3]. Distorsi
gelombang arus dan tegangan ini disebabkan adanya
pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi
kelipatan bulat dari frekuensi fundamentalnya [4].
Harmonisa dapat menimbulkan beberapa
masalah dalam sistem tenaga listrik. Antara lain dapat
menyebabkan panas, salah pembacaan pada pengukuran
besaran lisrik, rugi-rugi pada trafo meningkat, dan lianlain. Gambar 4 merupakan gambar gelombang harmonisa.
(3)
Penambahan daya reaktif tersebut dibatasi pada
nilai faktor daya maksimal 100% dan tidak merubah
keadaan leading atau lagging sistem sehingga tidak
merusak beban terpasang.
Apparent Power
Reactive Power
θ
Gambar 4. Gelombang Terdistorsi
STATIC VAR COMPENSATOR
Active Power
Gambar 2. Hubungan Daya Pada Rangkaian AC
P1 = P2
P (Watt)
θ 1 θ 2
Q2
Q1
S2 (VA)
S1 (VA)
Q (VAR)
Gambar 3. Diagram Fasor Daya
Gambar 2 menunjukan, bahwa daya total adalah
vektor penjumlahan antara daya aktif dan daya reaktif,
Static Var Compensator (SVC) adalah
komponen FACTS dengan hubungan paralel, yang fungsi
utamanya untuk mengatur tegangan pada bus ter- tentu
dengan cara mengontrol besaran reaktansi ekivalen. Dari
sudut pandang operasional, SVC bekerja seperti reaktansi
variabel shunt, yang bisa menghasilkan atau menyerap
daya reaktif untuk mengatur besarnya tegangan pada titik
sambungan ke jaringan AC [5]. Dalam bentuk yang
paling sederhana, SVC terdiri dari komponen fixed capacitor (FC) yang terhubung paralel dengan thyristorcontrolled reactor (TCR). Kontrol sudut penyalaan
thyristor memungkinkan SVC untuk memiliki kecepatan
respon yang hampir seketika. Hal ini digunakan secara
luas untuk menyalurkan daya reaktif dan menyediakan
support regulasi tegangan dengan cepat. Selain itu SVC
juga dipakai untuk meningkatkan batas stabilitas sistem
dan mengu- rangi osilasi daya [6].
Secara umum ada dua konfigurasi SVC, yaitu:
Model firing angle SVC
Pemodelan SVC berupa reaktansi ekuivalen
XSVC, yang merupakan fungsi dari perubahan sudut
penyalaan , yang terdiri dari kombinasi paralel admitansi
ekuivalen thyristor-controlled reactor (TCR) dan
reaktansi kapasitif tetap, seperti ditunjukkan pada Gambar
5(a). Model ini memberikan informasi mengenai sudut
penyala- an SVC yang diperlukan untuk mencapai tingkat
kompensasi tertentu.
Model total susceptance SVC
SVC dilihat sebagai sebuah reaktansi yang dapat
diatur melalui perubahan susceptansi BSVC, yang
melambangkan nilai susceptansi SVC total yang
diperlukan untuk mempertahankan besar tega- ngan bus
pada nilai tertentu, seperti ditunjukkan pada Gambar 5
(b).
3.
METODE YANG DIGUNAKAN
Simulasi Plant pada ETAP
Mendesain plant dalam MATLAB
Merencanakan`pasif filter dan TCR
pada sistem sesuai data simulasi
Simulasi sistem secara keseluruhan
pada MATLAB
Analisa hasil percobaan
Metode yang digunakan dalam simulasi ini
adalah menggunakan desain filter pasif tipe single tuned
dan TCR berbasis Fuzzy Logic Controller, dalam simulasi
sistem digunakan MATLAB 7.0.1. Dengan pemasangan
filter dan TCR, harmonisa sistem dapat diredam selain itu
power factor sistem dapat dijaga konstan.
FILTER PASIF SINGLE TUNED
Gambar 5. Konfigurasi SVC
Dengan mengacu pada Gambar 5 (b), arus yang dialirkan
oleh SVC adalah
ISVC = jBSVC Vl
(8)
dan daya reaktif yang dibangkitkan oleh SVC, yang juga
merupakan daya reaktif yang diinjeksikan pada bus l,
adalah
QSVC = Ql = −
BSVC
(9)
Filter dengan penalaan tunggal ditala pada salah
satu orde harmonik (biasanya pada orde harmonik
rendah). Filter ini terdiri dari rangkaian seri kapasitor,
reaktor dan resistor (RLC).
1 

Z(w)=R+j  L
C

(2.38)
Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang rendah
pada frekuensi resonansinya. Sebuah shunt filter
dikatakan ditala pada sebuah frekuensi, jika pada
frekuensi tersebut reaktansi induktif dan kapasitifnya
sama dengan nol.
THRYSTOR CONTROLLED REACTOR
TCR merupakan suatu alat yang berfungsi sebagai
penyerap daya reaktif sistem pada saat sistem kelebihan
daya reaktif. Tentunya komponen utama dari TCR
merupakan induktor yang dipasang seri dengan sepasang
thyristor. Digunakan sepasang thyristor karena digunakan
untuk mengontrol fase positif dan negatif dari sistem.
Gambar 6. menunjukkan rangkaian TCR yang digunakan
pada sistem ini.
Gambar diatas merupakan rangkaian simulasi
pada MATLAB 7.0.1. Trafo 3 belitan menurunkan
tegangan dari 11 KV – 0.69 KV, belitan sekunder
terhubung dengan beban, sedangkan belitan tersiernya
terhubung dengan rangkaian filter dan kontrol.
Dalam simulasi ini beban yang terpasang pada
kondisi normal adalah 2.9 Mwatt dan 1.5 Mvar. Sistem
juga dipasang pasif filter dengan nilai kapasitor untuk
filter harmonik orde ke-5 adalah 86.9 mF dan orde ke-7
adalah 6.7 mF, sedangkan nilai induktor yang dipasang
pada sistem ini untuk orde ke-5 adalah 46 H dan orde
ke-7 adalah 30 H.
Gambar 6. Rangakaian TCR pada MATLAB
FUZZY LOGIC CONTROLLER
Simulasi Tanpa Fluktuasi Beban
Berikut merupakan hasil simulasi sistem saat
kondisi beban normal.
Fuzzy logic controller digolongkan dalam kontrol cerdas.
Unit logikan fuzzy memiliki kemampuan menyelesaikan
masalah yang komplek, yang tidak dimiliki kontroler
konvensional.
Input
yang
diigunakan
dalam
proses
pengontrolan thyristor ini ada dua macam, yaitu error dan
delta error. Error diperoleh dari selisih antara PF (Power
factor) yang terukur dengan PF referensi, dimana PF
referensi merupakan besaran PF yang kita inginkan.
Sedangkan delta error merupakan selisih antara error
sekarang dengan error sebelumnya.
Gambar 9. Spektrum harmonisa dan THD arus primer
sebelum dipasang filter
Gambar 7. Rangakain FLC pada MATLAB
4.
SIMULASI DAN ANALISA
Gambar 10. Spektrum harmonisa dan THD arus primer
setelah dipasang filter
Gambar 8. Rangkaian simulasi sistem pada MATLAB
Gambar 9 dan 10 merupakan gambar THD arus
sistem sebelum dan sesudah dipasang filter. Gambar 9
merupakan gambar THD arus sistem sebelum dipasang
filter, dimana nilai THD - nya sebesar 17%. Penyumbang
harmonisa terbesar dalam sistem ini adalah harmonik orde
ke-5 dan ke-7. Sedangkan gambar 10 menunjukan
penurunan THD arus dari 17% menjadi 1.5% dengan
dipasangnya filter pada sistem.
Pemasangan filter selain menyerap harmonisa
juga sebagai kompensasi daya reaktif. Hal ini ditunjukkan
pada gambar 11, dimana power factor sistem naik dari
0.89 menjadi 0.95.
Gambar 12. Perubahan power factor pada sistem yang
tidak dipasang filter pasif dan TCR.
Gambar 11. Power factor sistem sebelum dan sesudah
dipasang filter pasif.
Tabel 1. Aliran daya sistem, pada saat sistem beroperasi
normal.
Keadaan normal
Daya aktif
Reaktif
Arus primer
Power faktor
THD Arus
Primer
2.9 Mwatt
1.49 Mvar
287 Ampere
0.89
Menggunakan
TCR dan Filter
Pasif
3.19 Mwatt
1.024 Mvar
254 Ampere
0.95
17 %
1.44 %
Tanpa TCR dan
Filter Pasif
Tabel 1 menunjukkan perbandingan aliran daya
pada sistem saat beroperasi normal dengan menggunakan
filter dan tanpa filter. Dapat dilihat bahwa dengan
pemasangan filter THD arus, daya reaktif serta arus
primer menjadi turun. Sedangkan power factor dan daya
aktif mengalami kenaikan.
Simulasi Dengan Fluktuasi Beban
Pada simulasi ini, sistem mendapat tambahan
beban sebesar 0.4 Mwatt dan 1 Mvar. Penambahan ini
untuk melihat respon dari TCR yang dikontrol
menggunakan fuzzy terhadap perubahan beban. Dalam
percobaan ini akan dibandingkan antara sistem yang
belum dipasang TCR dengan sistem yang telah dipasang
TCR.
Gambar 13. Perubahan power factor pada sistem yang
telah dipasang filter pasif dan TCR.
Gambar 12 dan 13 menunjukkan perbandingan
power factor sistem antara yang belum dipasang filter dan
TCR dengan sistem yang telah dipasang filter dan TCR.
Gambar 12 menunjukkan Power factor sistem turun pada
level 0.82 akibat adanya perubahan beban pada sistem,
power factor tidak bisa kembali ke titik awal karena
sistem belum dipasang filter maupun TCR. Sedangkan
sistem yang telah dipasang filter dan TCR memiliki
power factor yang stabil pada point 0.95, hal ini bisa
dilihat pada gambar 13. Sistem mengalami penurunan
power factor, akan tetapi hal ini tidak berlangsung lama.
Hal ini menunjukkan bahwa TCR mampu merespon
perubahan beban yang terjadi pada sistem.
Tabel 2. Aliran daya sistem, pada saat terjadi
penambahaan beban pada sistem.
Keadaan normal
Daya aktif
(Mwatt)
Reaktif
(Mvar)
Arus primer
(Ampere)
Power faktor
THD Arus
Primer
Tanpa TCR dan
Filter Pasif
Menggunakan
TCR dan Filter
Pasif
2.98 – 3.26
3.18 – 3.53
1.5 – 2.3
1 – 1.14
286 - 345
254 - 283
0.95-0.82
0.953-0.951
17 %
1.44 %
Simulasi Perbandingan Harmonisa Pada Trafo 2
Belitan dan 3 Belitan
Pada simulasi
ini
akan
dibandingkan
pemasangan filter pasif pada trafo 2 belitan dan 3 belitan.
Pada trafo dua belitan, filter pasif dipasang pada sisi
sekunder paralel dengan beban. Sedangkan pada trafo 3
belitan, belitan tersier digunakan sebagai tempat
pemasangan filter pasif. Tujuan dari pembandigan disini
adalah untuk mengetahui kemampuan trafo 3 belitan yang
didesain meyerupai trafo 2 belitan kaitannya dengan
pemasangan filter pasif untuk penyerapan harmonisa.
Belitan trafo untuk trafo 2 belitan terhubung Y, dimana sisi primer trafo terhubung Y dan primer trafo
terhubung . Sedangkan untuk trafo 3 belitan, belitan
trafo terhubung Y, dimana primer terhubung Y,
sekunder terhubung dan tersier trafo terhubung .
Gambar 15. Spektrum harmonisa dan THD arus primer
pada trafo 3 belitan.
Gambar 14 dan 15 membandingkan THD arus
primer pada trafo 2 belitan dengan trafo 3 belitan. Trafo 3
belitan memiliki performance yang mirip dengan trafo 2
belitan dalam penyerapan harmonisa. Trafo 3 belitan
menurunkan THD arus menjadi 1.44% sedangkan trafo 2
belitan menurunkan THD arus menjadi 1.31%. Selain bisa
memberikan manfaat seperti trafo 2 belitan,
dimungkinkan belitan tersier pada trafo 3 belitan yang
dipasang filter dapat diberikan ratting tegangan yang
bervariasi dari belitan sekunder.
Tabel 3. Aliran daya pada trafo 2 belitan dan 3 belitan
Keadaan
normal
Daya aktif
(Mwatt)
Reaktif
(Mvar)
Arus primer
(Ampere)
Power faktor
THD Arus
Primer
Tanpa TCR
dan Filter
Pasif
Dengan TCR dan Filter
Pasif
Trafo 2
Trafo 3
Belitan
Belitan
2.9
3.19
3.19
1.49
1.024
1.024
287
254.2
254
0.89
0.95
0.95
17 %
1.31 %
1.44 %
Tabel 3 menunjukkan aliran daya pada trafo 2
belitan dan 3 belitan. Data tersebut diambil pada kondisi
beban normal. dapat dilihat bahwa trafo 2 belitan dan 3
belitan memiliki peformance yang mirip.
Gambar 14. Spektrum harmonisa dan THD arus primer
pada trafo 2 belitan.
5.
KESIMPULAN
Dari hasil simulasi dan analisa dalam tugas akhir ini,
maka kesimpulan yang dapat diambil adalah :
1. Hasil perencanaan Filter Pasif mampu
menurunkan THD arus pada bus 117 atau MCC
1 dari 17 % menjadi 1.44 %.
2. Filter pasif selain menjadi filter juga mampu
men-supplay daya reaktif pada beban.
3. Thyristor Controlled Reactor (TCR) dapat
menggatur penyerapan daya reaktif dari filter,
sehingga sistem memiliki power factor yang
stabil pada point 0.95.
4. Fuzzy Logic Controller dapat memberikan
respon yang efektif terhadap perubahan power
factor yang terjadi pada sistem.
5. Pemasangan filter pasif dan TCR pada trafo 3
belitan maupun 2 belitan memberikan
performance yang mirip. Keuntungan lain dari
trafo 3 belitan adalah trafo 3 belitan mampu
bekerja pada ratting tegangan yang disesuaikan
dengan rangkaian filter dan TCR.
DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Imam Robandi, “Desain Sistem Tenaga Modern”, Andi
Yogyakarta, 2006.
A.J.F.Keri, X.Lombard, dan A.A.Edris, "Unified Power
Flow Controller (UPFC): Modeling and Analysis",IEEE
Transactions on Power Delivery, Vol.14,No.2,April
1999.
Iryawan, Alex, 2007. “Studi Pengaruh Harmonisa Tiga
Fasa pada Gardu Trafo Tiang 200 KVA yang
Berdampak Terhadap Kenaikan Arus Netral di PLN Apj
Surabaya Utara”. Thesis, Universitas Kristen Petra.
Setiadji, Julius Sentosa, dkk. “Pengaruh Harmonisa
pada Gardu Trafo Tiang Daya 100 KVA di PLN APJ
Surabaya Selatan”. Universitas Kristen Petra.
Acha, E., Agelidis, V.G., Anaya-Lara, O., Miller, T.J.E.,
“Power Electronic Control in Electrical Systems”, MPG
Books Ltd., Great Britain, 2002.
Kundur, P., “Power Systems Stability and Control”,
McGraw-Hill, New York, 1994.
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Kukuh Widarsono, lahir di Nganjuk pada tanggal 23 Februari
1985. Penulis adalah anak ke-3 dari
pasangan suami istri Lasir dan
Damini. Pada Tahun 1991 memulai
pendidikannya di SDN Kepanjen 1
Nganjuk,
pada
Tahun
1997
melanjutkan ke SLTP Negeri 2
Nganjuk lulus pada tahun 2000.
Penulis
menempuh pendidikan
tingkat menengah di SMUN 2
Kediri, mulai tahun 2000 dan lulus
tahun 2003.
Pada tahun 2003 penulis kuliah di
D3 Politeknik Negeri Malang
jurusan T. Elektro, lulus pada tahun 2006. Kemudian pada bulan
Agustus 2008 melalui program lintas jalur, penulis melanjutkan
studi S-1 di Teknik Elektro, Bidang Studi Teknik Sistem
Tenaga, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh
Nopember Surabaya.