(dstatcom) untuk kompensasi lendutan tegangan pada sistem

ANALISA DAN SIMULASI DISTRIBUTED STATIC COMPENSATOR (DSTATCOM)
UNTUK KOMPENSASI LENDUTAN TEGANGAN PADA SISTEM DISTRIBUSI
INDUSTRI TEGANGAN MENENGAH
Anggiat Sitorus, Iwa Garniwa
Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Indonesia
ABSTRAK
Permasalahan utama dalam kualitas daya listrik pada sistem distribusi, khususnya perindustrian,
adalah terjadinya Lendutan tegangan. Lendutan tegangan dapat meyerang dengan mudah mesinmesin listrik yang memilki daya yang besar pada perindustrian sehingga mengakibatkan
penurunan kuantitas dan kualitas hasil produksi dalam bidang perindustrian dalam negeri yang
mengakibatkan kerugian yang sangat besar. Dengan menggunakan Distibuted Statsic
Compensator (DSTATCOM) hal tersebut dapat ditanggulangi.
Kata kunci: sistem distribusi, kualitas daya, Lendutan tegangan, Distributed Static Compensator
ABSTRACT
The main problem in the power quality in the distribution system, especially industry, is the
occurrence of voltage sags. Voltage sags can easily subjugate electrical machines that have the
great power that result in decreased quantity and quality of production in the industrial sector of
domestic which resulted in huge losses. By using Distibuted Statsic Compensator (DSTATCOM)
it can be solved.
Keyword : distribtion system, power quality, tegangan lendutan, distributed static compensator
I .LATAR BELAKANG
Energi listrik merupakan salah satu komponen utama yang dibutuhkan dalam kehidupan
manusia. Manusia mustahil bisa beraktivitas dengan sempurna sesuai dengan tuntutan zaman
tanpa adanya energi listrik yang optimal. Seiring dengan kemajuan zaman, kebutuhan akan energi
listrik semakin hari semakin meningkat. Hal ini berbanding lurus dengan kemajuan teknologi
1 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
dimana terdapat beberapa perubahan dalam sistem yang dipakai untuk efektivitas, akan tetapi di
sisi lain perubahan ini justru membutuhkan energi listrik yang lebih.
Buruknya kualitas daya listrik ini dapat menyebabkan kegagalan atau kesalahan operasi
beban listrik pada konsumen. Salah satu masalah yang sering muncul yang berhubungan
dengan kualitas daya listrik adalah adanya lendutan tegangan. Lendutan tegangan
merupakan penurunan nilai rms tegangan suatu sisitem tenaga listrik sebesar 0,1 sampai
0,9 pu dalam periode yang singkat (0.5 cycle sampai 1 menit). Salah Lendutan tegangan
dapat mengakibatkan kerusakan peralatan hardware maupun software yang terhubung dalam
suatu sistem tenaga listrik. Lendutan tegangan biasanya disebabkan oleh kegagalan sistem tetapi
dapat juga disebabkan oleh penyambungan (switch on) beban berat atau pengasutan motor besar
(starting large motor).
Penyebab terjadi Lendutan tegangan pada saat terjadi kegagalan adalah karena besarnya
arus hubung singkat (arus short-circuit) yang menyebabkan penurunan tegangan yang signifikan
pada impedansi sistem sedangkan penyebab munculnya Lendutan tegangan pada pengasutan
motor besar adalah karena motor induksi yang dapat menghasilkan enam sampai sepuluh kali
arus full load pada saat pengasutan. Arus yang besar tersebut dapat menyebabkan rugi tegangan
pada impedansi sistem. Jika besar arusnya relatif besar maka dapat menghasilkan lendutan
tegangan yang signifikan.. Dengan menggunakan Distributed Static Compensator (DSTATCOM)
hal tersebut dapat ditanggulangi. Pengunaan DSTATCOM sendiri sudah dilakukan di negaranegara maju sebagai solusi utama dalam penyelesaian permasalahn Lendutan tegangan dalam
bidang perindustrian. Hal ini membuktikan bahwa metode DSTATCOM merupakan metode yang
sangat berguna dalam memperbaiki kualitas tegangan yang menjadi masalah utama dalam bidang
perindustrian.
II. TINJAUAN TEORITIS
Distributed Static Compensator (DSTATCOM) adalah sebuah sumber inverter tegangan sebagai
static compensator (hampir sama dengan DVR) yang digunakan untuk mengkoreksi Lendutan
tegangan. Hubungan ke jaringan distribusi dilakukan paralel (shunt) disambung melalui
transformator daya distribusi. DSTATCOM dapat membangkitkan variabel induktif ataupun
kapasitif kompensasi paralel secara kontiniu pada level rating maksimum MVA. DSTATCOM
mengecek bentuk gelombang dari line dengan memperhatikan sinyal AC refernsi dan karena itu
2 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
dapat menyediakan jumlah arus kompensasi leading atau lagging yang benar untuk mereduksi
jumlah tegangan fluktuasi. Komponen utama dari DSTATCOM terdiri dari capacitor dc, satu
atau lebih modul inverter, sebuah filter AC, sebuah transformer untuk menyelaraskan output
inverter dengan tegangan line, dan sebuah kendali PWM. Dalam implementasi DSTATCOM,
sebuah sumber inverter tegangan mengkonversi tegangan DC ke tegangan AC tiga fasa dan
dihubungkan ke line AC melewati ikatan reaktor dan kapasitor.
Gambar 1 Block Diagram of DSTATCOM
Komponen DSTATCOM terdiri dari tiga komponen utama, yaitu:
• IGBT atau GTO based DC to AC inverter
Inverter ini digunakan untuk membuat arus reaktif leading atau lagging pada gelombang
output tegangan yang dikontrol dalam besar dan fasa
berdasarkan kompensasi yang
diperlukan.
• L-C Filter
Filter LC digunakan untuk mererduksi harmonik dan menyocokkan impedansi output untuk
mengaktifkan inverter multi-paralel untuk membagi arus. Filter LC dipilih karena keselarasan
dengan tipe dari sistem dan harmonik yang terjadi pada output inverter.
• Control Block (Blok Pengendali)
Control Block digunakan pada saat switch modul Pure Wave DSTATCOM diperlukan.
Control Block dapat mengendalikan peralatan eksternal seperti switch mekanik kapasitor
bank. Control block ini didesain berdasarkan berabgai macam teori kontrol dan algoritma
seperti teori PQ, teori sinkron frame, dll.
3 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
A. Prinsip Pengaturan Tegangan Pada DSTATCOM
1. Pengaturan Tegangan tanpa Kompensator
Tegangan E dan V adalah sumber tegangan dan PCC adalah tegangan pada
masing-masing bagian. Tanpa adanya kompensator tegangan, rugi tegangan
pada PCC diakibatkan adanya arus beban (IL). Penurunan persamaan pada
pengaturan tegangan tersebut adalah: [7]
Gambar 2 (a) Rangkaian ekivalen pada beban dan supply sistem; (b) Phasor line
belum dikompensasi; (c) Phasor line sudah dikompensasi [7]
........................................ (1)
.......................................... (2)
Dari persamaan di atas, didapat:
........................................ (3)
4 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
Sehingga,
.............................. (4)
............... (5)
................................ (6)
Perubahan tegangan bergantung pada komponen ΔVR dan ΔVX, yang saling
memberntuk 90°. Besar besar dan phasa dari V, bergantung dari tegangan supply E,
yang mana merupakan fungsi besar dan phasa dari arus beban. Tegangan drop juga
bergantung pada kedua daya real dan reaktif dari beban sehingga komponen ΔV
dapat dituliskan sebagai berikut.
............................... (7)
2. Pengaturan Tegangan menggunakan DSTATCOM
Dengan
menambahkan
sebuah
kompensator
paralel
dengan
beban,
memungkinkan untuk membuat |E|=|V| dengan mengontrol arus pada
kompensator.
………..(8)
……..(9)
Dimana IR adalah arus kompensator. Prinsip Kerja Dasar dari DSTATCOM sama
dengan mesin sinkron. Mesin sinkron akan menyediakan arus lagging ketika
under eksitasi dan arus leading ketika over eksitasi. DSTATCOM dapat
5 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
menghasilkan dan menyerap daya reaktif sama dengan mesin sinkron dan dapat
juga menukar daya real jika disediakan dengan sebuah sumber DC eksternal.
DSTATCOM menukar daya reaktif dilakukan jika tegangan output dari
konverter sumber tegangan lebih besar dari tegangan sistem kemudian
DSTATCOM akan bekerja sebagai reaktansi induktif sehingga peralatan
menghasilkan daya reaktif kapasitif (arus leading bergerak dari DSTATCOM ke
sistem) dan jika tegangan output dari konverter lebih kecil dari tegangan sistem
maka DSTATCOM akan bekerja sebagai reaktansi kapasitif sehingga peralatan
menyerap daya reaktif induktif (arus lagging bergerak dari DSTATCOM ke
sistem). DSTATCOM menukar daya real jika perangkat switch tidak kehilangan
daya real kurang dari yang dibutuhkan kapasitor DC untuk switching. Karenanya
dibutuhkan pertukaran daya real untuk dengan sistem AC untuk membuat
tegangan kapasitor konstan untuk kendali langsung tegangan. DSTATCOM juga
dapat menukar daya real jika ada sumber DC eksternal untuk mengatur tegangan
karena ada tegangan yang sangat rendah pada sistem distribusi atau karena
adanya gangguan. Jika tegangan output VSC lebih rendah dari tegangan sistem
maka daya real dari kapasitor atau sumber DC akan disuplai oleh sistem AC
untuk mengatur tegangan dengan tegangan sistem ke 1 pu atau membuat
tegangan kapasitor konstan. Perutukaran daya real dan daya reaktif pada
konverter sumber tegangan dengan sistem AC adalah fenomena utama untuk
pengaturan tegangan dalam transmisi sama dengan distribusi sistem. Untuk
kompensasi daya reaktif, DSTATCOM menyediakan daya reaktif yang
dibutuhkan oleh beban dan karena itu arus sumber harus tetap pada unity power
factor (UPF). Ketika hanaya daya real yang disuplai oleh sumber, keseimbangan
beban dapat dilakukan dengan membuat referensi dari arus yang seimbang.
Sumber arus referensi digunakan untuk menentukan switching dari DSTATCOM
yang mana memiliki komponen frekuensi fundamental dari arus beban.
6 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
III. MODEL SIMULASI
Gambar 3 Jaringan Sistem Konfigurasi 1 Gangguan di Sisi Keluaran Transformator 3 dan Distributed
Static Compensator
7 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
Tabel 1 Data Parameter Simulasi
Data Suplai
Frekuensi Sistem
50 Hz
Tegangan Nominal
25 kV
Data Penyulang
Resistansi
1 ohm
Induktansi
0,001 H
Data Transformator 1
Daya Nominal
30 MVA
Tegangan Fasa-Fasa Primer
25 kV
Tegangan Fasa-Fasa
70 KV
Sekunder
Tegangan Fasa-Fasa Tersier
70 KV
Koneksi
Yg-Δ-Δ
Data Transformator 2
Daya Nominal
20 MVA
Tegangan Fasa-Fasa Primer
70 kV
Tegangan Fasa-Fasa
11 KV
Sekunder
Koneksi
Yg- Δ
Data Transformator 3
Daya Nominal
20 MVA
Tegangan Fasa-Fasa Primer
70 kV
Tegangan Fasa-Fasa
11 KV
Sekunder
Koneksi
Yg- Δ
Data Sudden load 1
Daya Nominal
1 MVA
Faktor Daya
1
Tegangan Nominal
11KV
Data Sudden load 2
Daya Nominal
1 MVA
Faktor Daya
1
Tegangan Nominal
11KV
Data Sudden load 3
Daya Nominal
1 MVA
Faktor Daya
1
Tegangan Nominal
11KV
Data Sudden load 4
Daya Nominal
15 MVA
Faktor Daya
1
Tegangan Nominal
11KV
8 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
Blok yang diberi warna biru muda adalah blok Distributed Static Compensator (DSTATCOM),
yang terdiri dari blok pengendali PI, blok PWM Generator, blok DC link, blok converter berupa
IGBT, dan blok LC-Filter yang dibuat menggunakan SimsPower Matlab 2012.
Blok-blok
berwarna putih merupakan jaringan sistem distribusi industri yang mempunyai lendutan tegangan
pada setiap bebannya. Sistem jaringan distribusi terdiri dari blok Three Phase Source, blok Trafo
Tiga kumparan, blok Trafo dua kumparan, dan blok sudden load.
IV. METODOLOGI PENELITIAN
Gambar 4 Tegangan Tiga Fasa Sebelum Kompensasi
Tahap 1 : Persiapan
Pada tahap ini dilakukan identifikasi permasalahan yang terkait dengan Lendutan tegangan pada
sistem distribusi dan solusi yang tepat untuk menyelesaikan permasalahan Lendutan tegangan
pada sistem distribusi.
9 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
Tahap 2 : Pengumpulan Data dan Studi Pustaka
Pada tahap ini dilakukan studi pustaka yang terkait dengan permasalahan Lendutan tegangan
pada sistem distribusi dan solusi yang tepat untuk menyelesaikan permasalahan Lendutan
tegangan tersebut, yang meliputi :
§ Melakukan studi literatur mengenai Lendutan tegangan yang terdiri dari pengeertian
Lendutan tegangan, penyebab terjadinya Lendutan tegangan, dan pengaruh Lendutan
tegangan pada sistem distribusi.
§ Melakukan studi literatur mengenai DSTATCOM sebagai solusi yang paling tepat untuk
memecahkan masalah Lendutan tegangan yang meliputi prinsip kerja dan keunggulan dari
DSTATCOM
§ Melakukan studi literatur mengenai perancangan dan pemodelan sistem distribusi dan
DSTATCOM pada aplikasi Matlab.
Tahap 3 : Perancangan Simulasi
Pada tahap ini kegiatan yang dilakukan yaitu : Melakukan perancangan sistem distribusi yang
dapat menghasilkan Lendutan tegangan yang terdiri dari perancangan besarnya tegangan, daya,
dan impedansi sumber dan transformator yang dipakai. Melakukan perancangan DSTATCOM
agar dapat berjalan sesuai dengan prinsip kerja pada sistem distribusi yang telah dibuat
sebelumya. Perancangan DSATCOM terdiri dari penentuan besarnya kapasitansi, komponen
elektronika daya pada sebagai konverter dan pengendali yang digunakan.
Tahap 4 : Pemodelan Simulasi
Berdasarkan
perancangan simulasi maka dilakukan pemodelan simulasi langsung dengan
menggunakan aplikasi matlab dengan menggunakan fitur simulink. Setelah semua rancangan
sistem distribusi dimodelkan maka akan dilihat apakah simulasi berjalan dengan lancar dan tidak
ada kesalahan sehingga dapat dilanjutkan dengan memodelkan DSTATCOM pada sistem
distribusi. Setelah selesai melakukan pemodelan secara keseluruhan maka simulasi dapat
dijalankan lagi tuntuk melihat dan memperbaiki kesalahan-kesalahan yang terjadi.
10 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
Tahap 5 : Pengujian dan Analisis
Pada tahap ini dilakukan pengujian terhadap DSTATCOM dengan
variasi beban yang beragam pada sistem
menggunakan nominal
distribusi sehingga dapat dilihat seberapa besar
tegangan yang harus dikompensasi dan bagaimana keandalan dari sistem kompensasi
DSTATCOM
Tahap 6 : Hasil Dan Pelaporan
Pada tahap ini dilakukan penyusunan hasil penelitian yang telah dilakukan.
V. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. GANGGUAN TIGA FASA
Gambar 5 Tegangan Tiga Fasa Sebelum Kompensasi
Pada gangguan tiga fasa lendutan tegangan yang terjadi untuk ketiga fasa pada sistem distribusi
industri adalah sebesar 0,85 pu.
11 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
Gambar 6 Tegangan Tiga Fasa Setelah Kompensasi
Lendutan tegangan sebesar 0,85 pu dapat dikompensasi oleh Distributed Static Compensator
(DSTATCOM) sehingga sistem tersebut bekerja pada kondisi normal. Besar kompensasi yang
dilakukan adalah 0,998 pu.
B. GANGGUAN SATU FASA KE TANAH
Gambar 7 Tegangan Tiga Fasa Sebelum
Kompensasi
Pada gangguan satu fasa ke tanah lendutan tegangan yang terjadi terdapat pada fasa A. Besar
lendutan tegangan yang terjadi adalah 0,85 pu.
12 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
Gambar 8 Tegangan Tiga Fasa Setelah Kompensasi
Lendutan tegangan sebesar 0,85 pu dapat dikompensasi oleh Distributed Static Compensator
(DSTATCOM) sehingga sistem tersebut bekerja pada kondisi normal. Besar kompensasi yang
dilakukan adalah 1,015 pu.
C. GANGGUAN DUA FASA
Gambar 9 Tegangan Tiga Fasa Sebelum Kompensasi
Pada gangguan dua fasa lendutan tegangan yang terjadi terdapat pada fasa A dan B. Besar
lendutan tegangan yang terjadi adalah 0,865 pu untuk fasa A dan 0,88 pu untuk fasa B.
13 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
Gambar 10 Tegangan Tiga Fasa Setelah Kompensasi
Lendutan tegangan sebesar 0,85 pu dan 0,88 pu dapat dikompensasi oleh Distributed Static
Compensator (DSTATCOM) sehingga sistem tersebut bekerja pada kondisi normal. Besar
kompensasi yang dilakukan adalah 1,066 pu.
VI. KESIMPULAN
1. Gangguan yang terjadi pada sistem distribusi tenaga listrik perindustrian dapat
mempengaruhi besarnya arus hubung singkat dengan besar arus gangguan satu fasa ke
tanah memiliki nilai paling besar, yaitu sebesar 1,61 kA untuk konfigurasi sistem 1 dan
1,58 kA untuk sistem konfigurasi 2 dan besar arus hubung singkat tiga fasa, yaitu 0,962
kA untuk sistem konfigurasi 1 dan 0,952 kA untuk sistem konfigurasi 2 memiliki nilai
lebih besar dari gangguan dua fasa, yaitu 0,584 kA untuk konfigurasi sistem 1 dan 0,574
kA untuk konfigurasi sistem 2.
2.
Penambahan
beban-beban
listrik dan besarnya impedansi gangguan pada suatu sistem distribusi tenga listrik dapat
menyebabkan semakin dalamnya besar tegangan yang terjadi pada saat terjadi gangguan,
pada sistem konfigurasi 1 besar lendutan minimum yang terjadi sebesar 0,865 pu dan
besar lendutan maksimum yang terjadi sebesar 0,847 pu sedangkan pada sistem
14 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
konfigurasi 2 besar lendutan minimum yang terjadi sebesar 0,856 pu dan besar lendutan
maksimum yang terjadi sebesar 0,844 pu.
3. Distributed Static Compensator (DSTATCOM) dapat mengkompensasi lendutan yang
disebabkan oleh gangguan seimbang dan tidak seimbang pada suatu sistem distribusi
tenaga listrik khususnya sistem distribusi industry dengan besar kompensasi berkisar
antara 0,975 pu sampai dengan 1,066 pu. Nilai ini menunjukkan kinerja Distributed Static
Compensator (DSTATCOM) baik merujuk pada standar IEEE Std 1159-2009.
.
REFERENSI
[1]Kumar, Abhishek. (2011, July). Mitigation of Lendutan tegangan for Motor Loads in
Distribution Systems using DSTATCOM. Thesis, Patiala.
[2]Dugan, R.C., & McGranaghan, M.F. (2002). Electrical Power System Quality. New York :
McGraw Hill.
[3]IEEE Std. 1159-2009 - IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality
[4] Patne, Nita R., & Thakre, Khrisna L. (May,2008). Factor Affecting Characteristic of
Lendutan tegangan Due to Fault in the Power System. SERBIAN JOURNAL OF
ELECTRICAL ENGINEERING, 5(1), 171-182.
[5]http://digilib.petra.ac.id/viewer.php?submit.x=17&submit.y=14&qual=high&submitval=prev
&fname=%2Fjiunkpe%2Fs1%2Felkt%2F2005%2Fjiunkpe-ns-s1-2005-23400105 2963proteksi-chapter2.pdf
[6]http://dunialistrik.blogspot.com/2008/12/sistem-distribusi-tenaga-listrik.html
[7]Pinapatrumi, Kiran Kumar, & L., Krishna Mohan. (2012). DQ based Control of DSTATCOM
for Power Quality Improvement. VSRD International Journal of Electrical, Electronics &
Communication Engineering, 2(5), 207-227
[8]Premalatha,S., & Valli, G.Punithha. (March, 2012). Digital Simulation of D-statcom System
for Improving Power Quality. IEEE - International Conference On Advances In Engineering,
Science And Management (ICAESM -2012), 31, 201 2666.
[9]Kumar, Abhishek. (2011, July). Mitigation of Voltage Sags for Motor Loads in Distribution
Systems using DSTATCOM. Thesis, Patiala
15 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013
[10]Kumar, S.V. Ravi, & Nagaraju S.Siva. (June, 2007). SIMULATION OF D-STATCOM AND
DSTATCOM IN POWER SYSTEMS. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences,
2(3), 1819-6608.
16 UNIVERSITAS INDONESIA Analisa Dan..., Anggiat Sitorus, FT UI, 2013