Sinar_Terang_Sembiring

VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
ANALISIS PEMULIHAN KEDIP TEGANGAN AKIBAT GANGGUAN
SATU FASA KE TANAH DENGAN MENGGUNAKAN DYNAMIC
VOLTAGE RESTORER PADA SISTEM TIGA FASA DENGAN
BEBAN BERVARIASI
Sinar Terang Sembiring dan Golfrid Gultom
ABSTRACT
Electrical power quality problems are very important problem to solve. The
emergence of voltage sags greatly affect the performance of sensitive equipment,
either the duration or depth of the dips is affecting equipment. Voltage sag caused by
the occurance of disturbances in power systems at both the network transmission
and distribution systems, start the induction motor with large power and transformer
energizing. This research will analize the recovery of voltage sag that occur due to
single phase to earth fault in three phase system to protect the sensitive equipment by
using Dynamic Voltage Restorer with PI controller. To detect the voltage sag system
use Park Transform and implement it in a voltage regulator as a function of control
system that detect voltage amplitude in sensitive load continuosly. The result of the
simulation show DVR can restore the voltage sag to 1 pu in faulted phase without
affect other phase with recovery time 0,1 ms. The active power of sensitive load will
affect output voltage of three phase inverter and output voltage of LC passive filter
-------------Keywords : voltage sag, power quality, Dynamic Voltage Restorer, sensitive load,
simulink
I. LATAR BELAKANG MASALAH
Kebutuhan peningkatan produktifitas dalam industri dan diinginkannya
suatu proses yang kontinu membutuhkan komponen-komponen elektronika dan
komponen elektronika daya sebagai perangkat pendukung, dimana komponenkomponen tersebut merupakan peralatan-peralatan yang sensitif yang harus
disupply oleh tegangan yang diharapkan baik frekuensi maupun besaran tegangan
dalam kondisi konstan.
Kehadiran komponen tersebut membutuhkan penyediaan daya yang
berkualitas tinggi [1,2,3], karena komponen elektronika daya sangat sensitif
terhadap gangguan-gangguan elektromagnetik [4]. Adanya gangguan dapat
mengakibatkan penurunan kualitas daya sistem tenaga, masalah kualitas daya
adalah: kedip tegangan, flicker, ketidakseimbangan tegangan, pemutusan dan
masalah harmonisa.
Peralatan-peralatan yang sensitif seperti komputer, rele, Programmable
Logic Controller (PLC), penggerak motor listrik dan sebagainya, sangat peka
terhadap perubahan tegangan yang diakibatkan oleh gangguan yang terjadi pada
bagian lain pada sistem.
1113
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
Konsumen membutuhkan energi yang dikirimkan berada dalam bentuk
sinusoidal murni yang simetris, mempunyai frekuensi yang konstan dan nilai rms
tegangan dan arus yang konstan dari gelombang yang dikirimkan. Untuk mencapai
tujuan tersebut, maka gangguan harus dikurangi, karena kegagalan dalam
menyediakan kualitas daya yang tinggi dapat mengakibatkan kegagalan
beroperasinya peralatan atau bahkan shutdown pada suatu sistem [5]. Kedip
tegangan didefinisikan sebagai penurunan nilai rms tegangan yang dapat terjadi
dari 10 ms sampai ke 1 menit dengan kedalaman jatuhnya tegangan sebesar 0,9 pu
sampai 0,1 pu dari 1 pu nominal berdasarkan standar IEEE 1159-1995 [6].
Kedip tegangan merupakan salah satu faktor penyebab berkurangnya
kualitas daya listrik, namun hal ini tidak bisa dihindari karena saat terjadinya
gangguan tidak dapat diketahui dengan pasti. Oleh sebab itu dilakukan antisipasi
apabila terjadi tegangan kedip pada sisi sumber tegangan tidak akan
mengakibatkan terganggunya tegangan pada sisi beban. Salah satu cara yang
dilakukan adalah dengan menggunakan Dynamic Voltage Restorer (DVR).
Pada penelitian ini akan dilakukan pemodelan sistem tiga fasa yang
mengalami gangguan satu fasa ke tanah dengan metode pendeteksian kedip
tegangan menggunakan transformasi Park, dari hasil pemodelan akan dianalisis
pemulihan kedip tegangan yang terjadi dengan memvariasikan besar daya beban
sensitif yang akan dilindungi oleh DVR dari pengaruh kedip tegangan, sehingga
akan diperoleh suatu pola besar tegangan DC PWM inverter yang dibutuhkan oleh
DVR sesuai dengan kebutuhan beban sensitif yang akan dilindungi.
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kedip Tegangan
Kedip tegangan atau voltage sag adalah berkurangnya tegangan rms dalam
waktu yang cukup singkat, pada umumnya diakibatkan oleh gangguan pada
system tenagag, starting motor dengan daya yang cukup besar dan energizing
transformator. Kontaktor, PLC dan Adjustable Speed Drive (ASD) adalah
peralatan-peralatan yang sangat sensitif terhadap terjadinya kedip tegangan [10].
Untuk menghitung besaran kedip tegangan pada sistem radial ditunjukkan
pada Gambar 2.1. berikut ini [6,10] :
Vs
gangguan
beban
Gambar 2.1. Model pembagi tegangan
1114
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
Pada Gambar 2.1. Zs adalah impedansi sumber dan ZF adalah impedansi
diantara Point of common coupling (PCC) dengan lokasi terjadinya gangguan.
PCC adalah titik dimana gangguan dan beban dicatu. Pada model tersebut,
tegangan pada PCC dirumuskan oleh :
Vsag 
ZF
.Vs …………………(2.1)
ZF  ZS
dengan asumsi tegangan sebelum terjadi gangguan adalah 1 pu. Dari Persamaan
2.1 dapat dilihat apabila jarak terjadinya gangguan semakin dekat terhadap PCC,
dalam hal ini maka ZF akan semakin kecil dan akan mengakibatkan terjadinya
kedip tegangan yang semakin besar [4].
2.1.1. Penyebab utama kedip tegangan
Terdapat beberapa hal yang menjadi penyebab utama terjadinya kedip
tegangan pada sistem tenaga. Kedip tegangan dapat terjadi akibat adanya
gangguan pada sistem transmisi atau sistem distribusi sistem tenaga atau dapat
juga diakibatkan oleh starting motor induksi dengan daya yang cukup besar
beserta terjadinya energizing transformator.
a. Kedip tegangan akibat gangguan pada sistem tenaga
Gangguan fasa ke tanah pada sistem adalah kebanyakan penyebab
terjadinya kedip tegangan pada industri [11]. Tegangan pada fasa yang mengalami
gangguan akan menuju nol pada titik gangguan. Tegangan pada gardu induk dan
feeder yang paralel akan tergantung dari jarak terjadinya gangguan tersebut terjadi.
Pada sistem transmisi, tegangan fasa yang mengalami gangguan tergantung dari
impedansi keseluruhan sistem [11].
Terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi karakteristik kedip tegangan yaitu
[12]:
1. Jenis gangguan
Jenis gangguan merupakan faktor utama yang mempengaruhi karakteristik
kedip tegangan. Besaran dan sudut fasa tergantung pada jenis gangguan yang
terjadi.
2. Lokasi terjadinya gangguan
Sebagaimana halnya dengan jenis gangguan, lokasi dari terjadinya
gangguan mempunyai dampak yang cukup besar pada besaran tegangan. Bebanbeban sensitif pada level distribusi akan dapat merasakan gangguan yang terjadi
meskipun gangguan tersebut terjadi dalam jarak yang cukup jauh pada sistem
distribusi.
b. Kedip tegangan akibat starting motor induksi
Selama terjadinya starting motor induksi akan dibutuhkan kira-kira lima
kali dari arus nomimal untuk starting motor, keadaan ini mengakibatkan terjadinya
kedip tegangan [13]. Besar kedip tegangan tergantung pada karakteristik motor
induksi dan kualitas sistem pada titik terletaknya motor induksi [3]. Kedip
tegangan yang diakibatkan oleh motor induksi akan berpengaruh pada area lokal.
1115
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
2.1.2. Peralatan-peralatan yang sensitif terhadap kedip tegangan
Kesensitifan peralatan terhadap kedip tegangan sangat tergantung pada
jenis beban, setting pengaturan dan aplikasi. Karakteristik kedip tegangan yang
paling berpengaruh pada peralatan-peralatan sensitif adalah waktu dan besaran
kedip tegangan, meskipun untuk beberapa peralatan karakteristik seperti
pergeseran fasa dan ketidakseimbangan juga mempengaruhi pada saat terjadi
kedip tegangan [1]
Secara umum kesensitifan peralatan terhadap kedip tegangan dapat dibagi
menjadi 3 kategori yaitu :
1. Peralatan yang sensitif hanya terhadap besaran kedip tegangan.
Peralatan yang termasuk kategori ini seperti relay undervoltage, peralatan
kontrol proses, pengaturan motor dan mesin-mesin automatis.
2. Peralatan yang sensitif terhadap besaran dan lama kedip tegangan.
Peralatan yang termasuk pada kategori ini adalah peralatan-peralatan yang
menggunakan komponen elektronika daya.
3. Peralatan yang sensitif terhadap karakteristik lain
Beberapa peralatan seperti motor induksi, dapat dipengaruhi oleh karakteristik
kedip tegangan selain daripada besaran dan lama terjadinya kedip tegangan,
seperti ketidakseimbangan fasa selama terjadinya kedip tegangan dan osilasi
transient selama terjadinya gangguan.
Pada kurva Computer Business Equipment Acceptibility Curves (CBEMA)
dan Information Technology Industry Council (ITIC) Adjustable Speed Drive
(ASD) ditunjukkan sangat sensitif terhadap kedip tegangan, ASD akan trip apabila
terjadi kedip tegangan dibawah 0,9 pu selama 80 ms dan kontaktor akan
mengalami unenergize apabila terjadi kedip tegangan di bawah 0,5 pu dengan
lama lebih dari 20 ms [1].
Karakteristik toleransi tegangan dari beberapa peralatan sensitif ditunjukkan pada
Tabel 2.1 berikut ini [14]
Tabel. 2.1. Nilai toleransi tegangan pada beberapa peralatan
Peralatan
PLC
AC control relay
AC drive 50 hp
Motor Starter
Personal Computer
Vmin
60%
65%
75%
50%
60%
Tmax
260 ms
20 ms
50 ms
50 ms
50 ms
Tingkat sensitifitas peralatan bervariasi terhadap terjadinya kedip tegangan.
Seperti ditunjukkan pada Tabel 2.1 dan pengaruh terjadinya kedip tegangan
terhadap peralatan juga bervariasi, sebagai contoh: apabila terjadi kedip tegangan
pada AC control relay selama lebih dari 20 ms dengan kedalaman lebih kecil dari
65%, maka keadaan akan mengakibatkan peralatan trip.
1116
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
2.2. Sistem Distribusi
Jaringan transmisi dan jaringan distribusi pada sistem tenaga listrik
berfungsi sebagai sarana untuk menyalurkan energi listrik yang dihasilkan dari
pusat pembangkit ke pusat-pusat beban. Sistem jaringan distribusi dapat dibedakan
menjadi dua sistem yaitu: sistem jaringan distribusi primer dan sistem jaringan
distribusi sekunder. Pada umumnya tegangan kerja pada sistem jaringan distribusi
primer adalah 20 kV, sedangkan tegangan kerja pada sistem jaringan distribusi
sekunder adalah 220/380 volt.
Salah satu cara yang digunakan PLN untuk menyalurkan energi listrik
pada sistem transmisi atau sistem distribusi adalah dengan menggunakan saluran
udara (overhead lines). Oleh karena sistem yang kebanyakan digunakan adalah
menggunakan saluran udara, maka kemungkinan terjadinya gangguan fasa ke
tanah sangat mungkin terjadi.
Menurut Heine [2], frekuensi gangguan yang terjadi sebanyak 80% pada
sistem transmisi atau distribusi yang terjadi pada gangguan satu fasa ke tanah.
Gangguan fasa ke tanah akan mengakibatkan terjadinya voltage sag atau kedip
tegangan pada sisi lain saluran transmisi atau distribusi.
Adanya gangguan fasa ke tanah pada salah satu saluran, maka akan
berakibat terjadinya penurunan tegangan pada saluran yang lain terutama pada
sistem distribusi radial.
Sistem distribusi radial adalah sistem distribusi yang paling sederhana dan
ekonomis seperti. Pada sistem ini terdapat beberapa feeder yang mensuplai
beberapa gardu distribusi secara radial. Namun keandalan sistem ini lebih rendah
apabila dibandingkan dengan sistem lainnya. Kurangnya keandalan disebabkan
karena hanya terdapat satu jalur utama yang mensuplai gardu distribusi, sehingga
apabila jalur utama tersebut mengalami gangguan maka akan berdampak pada
semua sistem.
2.3. Dynamic Voltage Restorer
Dynamic Voltage Restorer (DVR) adalah suatu peralatan yang berguna untuk
mengatasi kedip tegangan. DVR dirangkai seri dengan sistem distribusi untuk
melindungi peralatan sensistif terhadap terjadinya kedip tegangan [15].
DVR pada dasarnya mempunyai suatu power circuit dan suatu control
circuit. Control circuit atau rangkaian kendali berfungsi untuk mengatur
parameter-parameter dari sinyal kendali yang harus diinjeksikan oleh DVR pada
sistem antara lain: besaran, frekuensi, pergeseran fasa dll. Berdasarkan sinyal
kendali yang diperoleh dari control circuit maka dihasilkan tegangan yang akan
diinjeksikan pada power circuit.
DVR dirangkai seri dengan sistem distribusi. Pada umumnya DVR
mempunyai sumber energi DC, PWM inverter, filter dan transformator
penginjeksi tegangan [16]. Fungsi dasar dari DVR adalah mendeteksi terjadinya
kedip tegangan yang terjadi pada saluran sistem tenaga, kemudian menginjeksikan
1117
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
tegangan DVR untuk mengkompensasi kedip tegangan yang terjadi. Pada Gambar
2.2 ditunjukkan elemen-elemen dasar pada sebuah DVR
a. Unit penyimpanan energi DC
Berfungsi untuk menyediakan kebutuhan daya aktif selama terjadi
kompensasi oleh DVR. Biasanya dapat digunakan batere Lead Acid, flywheel,
super conducting magnetic energy storage (SMES) dan super capacitor.
b. Voltage Source Inverter (VSI)
Pada dasarnya VSI berfungsi untuk mengkonversi tegangan DC yang
dihasilkan oleh unit penyimpanan energi DC menjadi tegangan AC. VSI
dikopling dengan suatu transformator terhadap sistem. Pada inverter satu fasa
biasanya digunakan Full Bridge Inverter yang menggunakan empat buah
switching
Gambar 2.2. Rangkaian sistem DVR [9]
c.
Filter Pasif
Low Pass Filter terdiri dari induktor dan kapasitor, yang dapat diletakkan
pada sisi tegangan rendah dari transformator penginjeksi tegangan. Dengan
menempatkan filter pada sisi inverter, harmonisa yang terjadi bersumber dari
VSI dapat dicegah untuk masuk pada transformator [18].
d. Transformator Injeksi Tegangan
Fungsi dasarnya adalah untuk menaikkan tegangan supply AC yang
dihasilkan oleh VSI menjadi tegangan yang dibutuhkan. Rating pada inverter
dan transformator injeksi menjadi suatu batasan untuk menentukan kedip
tegangan maksimum yang dapat dikompensasi. Apabila arus pada jaringan
lebih besar dari arus DVR maka suatu switch by pass akan aktif untuk
mencegah arus dengan nilai yang cukup besar mengalir melalui DVR.
Suatu DVR dapat bekerja pada beberapa kondisi yaitu [18] :
1. Keadaan Normal
Apabila unit penyimpanan energi DC terisi penuh, DVR akan bekerja pada
keadaan stand by. Pada kondisi stand by DVR tidak menginjeksikan tegangan
pada jaringan.
1118
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
2. Keadaan terjadi kedip tegangan
DVR akan mensupply daya aktif dari energi yang disimpan bersama dengan
daya reaktif yang dibutuhkan untuk kompensasi tegangan.
3. Keadaan terjadi gangguan.
Pada kondisi ini terdapat resiko terjadinya arus dengan nilai yang cukup besar
mengalir menuju rangkaian DVR, akibatnya dapat merusak komponenkomponen sensitif pada DVR. Karena DVR adalah suatu kompensator seri,
maka apabila terjadi gangguan hubung singkat pada sisi beban, maka arus
gangguan akan mengalir ke arah inverter. Sehingga untuk melindungi inverter
tersebut diletakkan switch by pass
2.4. Metode Kompensasi Kedip Tegangan pada DVR
Kompensasi dilakukan dengan menginjeksikan daya aktif dan daya reaktif.
Tergantung tingkat kompensasi yang dibutuhkan oleh beban, terdapat tiga jenis
metode kompensasi yaitu: kompensasi pre-sag, kompensasi in-phase dan teknik
optimasi energi [16][20]
a. Kompensasi Pre-Sag
Strategi kompensasi ini direkomendasikan pada beban-beban non linier,
dimana membutuhkan kompensasi terhadap besaran tegangan dan sudut fasa
tegangan. Pada teknik kompensasi ini DVR akan mensupply perbedaan yang
terjadi antara Vpre sag dan Vsag, sehingga akan mengembalikan semua nilai besaran
dan sudut fasa kepada nilai sebelum terjadi kedip tegangan seperti ditunjukkan
pada Gambar 2.3
ѲDVR
ѲLoad
Ѳsag
Iload
Gambar.2.3. Teknik kompensasi pre-sag [7]
Pada kondisi normal (Vpre-sag) tegangan sistem akan sama dengan tegangan
beban (V Load) dimana keduanya mempunyai nilai sebesar 1 pu. Selama terjadi
kedip tegangan, maka tegangan sistem akan menurun dengan nilai yang lebih kecil
dari nilai Vpre-sag, pengurangan nilai tegangan ini akan berakibat terjadinya
pergeseran fasa. DVR akan bereaksi terhadap terjadinya kedip tegangan dan akan
1119
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
menginjeksikan tegangan kompensasi VDVR untuk mengembalikan nilai besaran
tegangan menjadi nilai tegangan sebelum terjadinya kedip tegangan.
Pada Gambar 2.3 ditunjukkan bahwa Ѳload adalah sudut antara Iload dengan
Vpre-sag. Akibat terjadinya kedip tegangan, maka akan terjadi perubahan sudut fasa
antara Iload dengan Vsag dalam hal ini adalah Ѳsag. Tegangan yang akan diinjeksikan
oleh DVR akan mempunyai sudut fasa (ѲDVR) sebesar sudut yang timbul antara
Iload dengan tegangan injeksi DVR (VDVR).
b. Teknik Kompensasi In-Phase
Pada metode kompensasi ini hanya besaran tegangan yang dikompensasi,
tegangan yang dikompensasi sefasa dengan kedip tegangan yang terjadi. Oleh
karena itu pada teknik kompensasi ini, tegangan yang diinjeksikan oleh DVR
dapat diminimalkan. Teknik kompensasi in-phase ditunjukkan pada Gambar 2.4
berikut.
Pada Gambar 2.4 dapat dilihat tidak terdapat perbedaan sudut fasa antara
Vsag dengan VDVR, dimana VDVR adalah tegangan yang diinjeksikan untuk
mencapai Vpre-sag sebesar 1 pu.
ѲLoad
Ѳsag
ILoad
ѲDVR
Gambar 2.4. Teknik kompensasi in-phase
2.5. Teknik Deteksi Kedip Tegangan Pada DVR
Fungsi utama dari kontroller pada DVR adalah mendeteksi terjadinya
kedip tegangan pada sistem. Untuk mengatur kontroller pada DVR tersebut
digunakan transformasi dqo atau transformasi Park. Metode dqo tersebut akan
memberikan informasi kedalaman kedip dan pergeseran fasa disertai titik awal dan
titik akhir kedip tegangan tersebut. Pada Gambar 2.16. ditunjukkan diagram alir
teknik pengendalian DVR berdasarkan transformasi Park. Dimana proses
transformasi dari sistem tiga fasa ke sistem dqo ditunjukkan pada Persamaan (2.1)
sampai (2.3).
1120
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
Teknik pendeteksian dibuat berdasarkan perbandingan tegangan referensi terhadap
tegangan hasil pengukuran ( Va, Vb dan Vc). Metode dqo memberikan informasi
kedalaman tegangan yang jatuh (d) dan pergeseran dari fasa tegangan (q).
Gambar 2.5.
III. METODOLOGI PENELITIAN
Studi Dynamic Voltage Restorer yang akan dilaksanakan untuk mengatasi
adanya kedip tegangan yang disebabkan oleh gangguan satu fasa ke tanah dengan
menggunakan simulasi Matlab-Simulink.
3.1. Rancangan Model Penelitian
Terjadinya kedip tegangan seimbang maupun tidak seimbang dapat
diakibatkan oleh terjadinya gangguan pada sisi transmisi maupun sisi distribusi.
Kedip tegangan seimbang biasanya terjadi karena adanya gangguan tiga fasa.
Gangguan tidak seimbang dapat diakibatkan oleh terjadinya gangguan satu fasa ke
tanah atau gangguan dua fasa ke tanah. Lokasi terjadinya gangguan dapat terjadi
secara acak dan kedip tegangan yang terjadi sangat tergantung dari jarak terjadinya
gangguan dengan posisi beban yang akan dilindungi. Pada penelitian ini, kedip
tegangan yang terjadi diakibatkan dengan membangkitkan terjadinya gangguan
hubung singkat antara salah satu ke tanah. DVR diletakkan pada salah satu sisi
yang terhubung langsung dengan PCC seperti pada Gambar 3.1, sehingga apabila
1121
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
terjadi kedip tegangan pada salah jaringan maka DVR akan mengembalikan
tegangan sama dengan 1 pu.
Beban 1
V = Vsag
Beban 2
V = 0 pu
arus hubung singkat
V = 1 pu
Zs
V sumber 20 KV/380 V
gangguan fasa ke tanah
Beban
dilindungi
V = 1 pu
PCC
DVR
Gambar 3.1. Diagram jaringan pengujian simulasi
Pada simulasi yang akan dilakukan, gangguan satu fasa ke tanah terjadi
pada jaringan 380 V yang mensupply beban-2 sehingga akan berakibat terjadinya
kedip tegangan pada beban yang dilindungi. DVR akan berfungsi untuk
mengembalikan tegangan pada 1 pu.
DVR akan mendeteksi kondisi tegangan pada beban sensitif, apabila
terjadi penurunan tegangan pada sisi beban sensitif maka DVR akan memulihkan
tegangan dengan waktu seminimal mungkin sehingga tegangan pada sisi beban
sensitif dapat terjaga pada kondisi 1 pu.
2.6. Voltage Loop Control DVR
Untuk mendeteksi kedip tegangan, tegangan beban akan diukur secara
kontinu oleh DVR dengan menggunakan voltage loop control seperti pada
Gambar 3.2.
V referensi
Voltage
Controller
+
Menuju PWM
generator
-
Voltage feedback
Gambar 3.2. Voltage loop control pada DVR
Pada DVR metode pengendalian tersebut akan dilengkapi dengan Phase Locked
Loop (PLL) untuk mendeteksi fasa tegangan sumber. Kedip tegangan akan
terdeteksi apabila tegangan sumber jatuh dibawah 90% tegangan referensi. Sinyal
error yang diakibatkan terdapatnya perbedaan antara tegangan hasil pengukuran
dengan tegangan referensi digunakan sebagai sinyal modulasi untuk menghasilkan
pola sebagai pemicu penyalaan IGBT, dengan diagram alir seperti pada Gambar
3.3 berikut.
1122
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
Tegangan Masukan
Va, Vb, Vc
Transformasikan
dengan Transformasi
Park menjadi
Vd, Vq, Vo
PLL
Bandingkan dengan
tegangan referensi
Tegangan Referensi
Vd, Vq dan Vo
Transformasikan
kembali menjadi Va,
Vb dan Vc
Dihasilkan sinyal
untuk pemicu PWM
Gambar 3.3. Diagram alir teknik pengendalian DVR berdasarkan transformasi Park
Pada penelitian yang akan dilakukan, Dynamic Voltage Restorer yang
disimulasikan menggunakan metode deteksi transformasi Park untuk mengetahui
terjadinya kedip tegangan dan dimodelkan dengan menggunakan Matlab-Simulink,
kemudian akan diuji apakah DVR tersebut dapat melindungi beban sensitif dari
terjadinya kedip tegangan, Dynamic Voltage Restorer akan ditempatkan pada sisi
380 volt untuk melindungi beban sensitif. Pada DVR, DC storage adalah
merupakan suatu elemen utama, dimana pada saat terjadi kedip tegangan, maka
besar tegangan yang hilang akan dikompensasi melalui tegangan yang diperoleh
dari DC storage tersebut menggunakan PWM inverter. Pada penelitian ini besar
beban yang akan dilindungi akan divariasikan sehingga dapat diketahui pengaruh
kondisi pembebanan terhadap pemulihan kedip tegangan yang terjadi.
IV. HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN
Berikut adalah parameter-parameter yang diberikan pada simulasi DVR
pada sistem tiga fasa.
Sumber tegangan
: 22 KV
Daya transformator distribusi : 80 KVA
 Frekuensi: 50 Hz
 Tegangan lilitan primer : 20 KV
 Resistansi lilitan primer : 2,16 ohm
 Induktansi lilitan primer : 8,6 mH
 Tegangan lilitan sekunder : 380 V
 Resistansi lilitan sekunder : 0,02 ohm
 Induktansi lilitan sekunder : 0,08 mH
1123
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
 Resistansi dan reaktansi magnetisasi : 577 ohm, 577 ohm
Daya transformator injeksi
: 15 KVA
 Tegangan lilitan primer : 100 V
 Tegangan lilitan sekunder : 500 V
Frekuensi carrier PWM : 5 KHz
Beban sensitif : daya aktif bervariasi
Daya reaktif induktif : 40 VAR
Daya reaktif kapasitif : 10 VAR
Setelah ditentukan nilai parameter-parameter untuk simulasi, selanjutnya
dibentuk suatu model pengujian yang akan diuji menggunakan software Matlab
Simulink dibentuk suatu usulan model seperti pada Gambar 4.1 berikut.
Tegangan beban hasil pengukuran dalam simulasi diperoleh dari V2, akan
menjadi sinyal masukan pada regulator tegangan. Pada regulator tegangan sinyal
tersebut akan dikonversikan dari Vabc ke Vdq0, dengan tujuan mengubah
tegangan bolak-balik menjadi komponen searah. Dengan membuat suatu tegangan
referensi Vd dan Vq, maka akan dapat dibandingkan dengan tegangan masukan
yang sudah terkonversi menjadi Vdq0. Hasil perbandingan antara Vdq0 hasil
-
DYNAMIC VOLTAGE RESTORER TIGA FASA DENGAN PI CONTROLLER
Aa
Vinj
Vcrload
Vsource
Bb
Cc
Gangguan 1
A
V6
C
Plot Vsource
B
Plot Vcrload
A
Plot Vinj
B
Beban1
C
Plot
V8
Vsource2
Vavc_6
Aa
To Workspace7
Bb
V3
Beban2
c
C c
Vcontrol
Uref
Pulses
B2
Bb
Cc
Cc
V7
V2
C2
Aa
Bb
Transformator
Injeksi
Vabc_2
PWM Generator
Beban Sensitif
A1+
Regulator Tegangan
C2+
V2
V8
Aa
g
C1
V1
C1+
V2
C
B b
B1
Sumber 3 fasa
A a
A2
C c
b
B2+
C
B
B1+
B b
A2+
A a
B
a
A1
A
A
+
Energy Storage1
Scope
A
To Workspace8
Transformator 3
B
C
Vavc_5
C
Vcrload2
V2
B
Cc
Vsumber vs Vbeban1
A
Plot Complete
A
Aa
A A
Aa
Discrete,
Ts = 5.144e-006 s.
B
Bb
B B
Bb
pow ergui
C
Cc
C C
Cc
V5
LC Filter
V4
-
PWM
IGBT Inverter
Gambar 4.1. Model Simulink Dynamic Voltage Restorer
1124
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
konversi dengan Vdq0 referensi akan dimasukkan ke dalam PI Controller. Dari
keluaran PI controller akan dikonversikan kembali dari Vdq0 menjadi Vabc,
tegangan keluaran tersebut merupakan sinyal acuan terhadap PWM generator
untuk membangkitkan sinyal terhadap inverter. Pada Gambar 4.2 dapat dilihat
metode pendeteksian kedip tegangan dengan menggunakan DVR.
V beban
Transformator
injeksi
V sumber
Vabc

Filter
Vdq0
Vdref = 1
Vqref = 0
Vdq0
+
PLL

PWM
PI
Inverter
Vabc

Gambar 4.2 Teknik pengendalian DVR
Struktur tersebut akan diimplementasikan dalam simulasi dan merupakan
mask dari regulator tegangan seperti pada Gambar 4.3 berikut:
BLOK PENGENDALI PI
PI Controller d
PI
dref
VBeban1
1
Demux
PI
dq0
0
1
abc
qref
PI Controller q
0
0 ref
sin_cos
Vcontrol
dq0_to_abc
Transformation
VBeban111
VBeban2
1
abc
V2
dq0
sin_cos
Terminator
abc_to_dq0
Transformation
Selector
Freq
Sin_Cos
wt
Discrete Terminator1
Virtual PLL
Gambar 4.3. Implementasi struktur pengendalian DVR pada Simulink
Simulasi Dynamic Voltage Restorer tersebut akan diuji pada beban yang
akan dilindungi dengan besar beban bervariasi mulai dari 5 KWatt sampai dengan
10 Kwatt, dan akan dilihat besar tegangan injeksi DVR dan nilai THD yang
dihasilkan pada tegangan keluaran transformator injeksi DVR tersebut. Gangguan
yang terjadi disimulasikan mulai dari 0,03 detik sampai 0,07 detik.
1125
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
Pada Gambar 4.4 ditunjukkan tegangan sumber yang mengalami kedip
tegangan sebesar 0,2 pu dan tegangan pada beban sensitif setelah dipasang DVR
dengan besar tegangan DC konstan sebesar 140 volt.
V Sumber
1
Voltage [pu]
0.5
0
-0.5
-1
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,08
0,1
0,12
V Beban Sensitif
1.5
Voltage [pu]
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
0
0,02
0,04
0,06
Time [s]
Gambar 4.4. Tegangan sumber dan tegangan beban sensitif dengan daya beban 5000 watt
dan Vdc = 140 volt
Pada Gambar 4.4 tersebut dapat dilihat bahwa tegangan pada sisi beban yang
dilindungi telah terjadi pemulihan kedip tegangan dari kondisi tegangan sumber
pada fasa A mengalami kedip tegangan sebesar 0,2 pu dan pada sisi tegangan
beban sensitif diperbaiki oleh DVR menjadi 1 pu, dengan demikian DVR tersebut
sudah melakukan injeksi tegangan terhadap fasa yang mengalami penurunan nilai
tegangan. Dengan besar tegangan dc inverter, diperoleh tegangan puncak keluaran
sebesar 100 volt AC. Tegangan keluaran inverter tersebut setelah diukur nilai
RMS menggunakan tools pada simulink discerete RMS values, diperoleh nilai
puncak tegangan RMS sebesar 53,5 volt. Tegangan keluaran inverter tersebut
selanjutnya akan melewati filter pasif sehingga akan diperoleh tegangan injeksi
seperti pada Gambar 4.8 berikut.
30
30
Vinjeksi Fasa A
Vinjeksi Fasa A
20
20
10
10
0
0
-10
-10
-20
-20
-30
0
0,02
-30
0
0,04
0,02
0,06
0,04
0,08
0,06
0,1
0,08
0,12
0,1
0,14
0,12
0,14
Gambar 4.5. Tegangan injeksi keluaran filter untuk daya beban 5000 watt.
1126
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
Tegangan injeksi yang dihasilkan (merupakan tegangan keluaran dari
filter) adalah tegangan respon sistem terhadap terjadinya kedip tegangan.
Tegangan injeksi pada Gambar 4.8 tersebut dapat dilihat mengalami kenaikan
setelah terjadinya penurunan nilai tegangan pada beban sensitif yaitu mulai 0,03
detik dan akan mengalami penurunan tegangan setelah kedip tegangan pada beban
sensitif berakhir yaitu pada detik 0,07. Besar nilai tegangan puncak tegangan
injeksi untuk daya beban 5000 watt diperoleh sebesar 28.6 volt.
Hasil tegangan keluaran dari filter tersebut atau tegangan injeksi akan
menuju transformator injeksi dengan perbandingan 1:5. Setelah melewati
transformator injeksi, maka akan diperoleh suatu tegangan keluaran yang berada
pada nilai 1 pu, dengan THDv sebesar 0,86% seperti pada Gambar 4.6 berikut.
FFT window: 3 of 6.5 cycles of selected signal
1
0
-1
0.03
0.04
-3
x 10
0.05
0.06
Time (s)
0.07
0.08
Fundamental (50Hz) = 0.9937 , THD= 0.86%
Mag
1.5
1
0.5
0
0
2
4
6
8
Harmonic order
10
12
14
Gambar 4.6. FFT Analysis gelombang keluaran transformator injeksi
Hasil pengukuran untuk beban bervariasi dengan besar tegangan DC
konstan sebesar 140 volt diperoleh pada Tabel 4.1 berikut.
Data hasil pengukuran tersebut diperoleh dengan melakukan simulasi gangguan
satu fasa ke tanah pada fasa A, dengan resistansi gangguan sebesar 10 ohm
sehingga terjadi kedip tegangan pada fasa A untuk tegangan sensitif sebesar 0,2 pu
Data hasil simulasi dipilih dengan karakteristik nilai tegangan pada fasa A atau
tegangan pada fasa yang terganggu dan akan dipulihkan oleh DVR dengan cara
menyuntikkan tegangan sehingga tegangan hasil pemulihan akan kembali pada
nilai 1 pu dari tegangan yang mengalami kedip tegangan sebesar 0,2 pu dan
THDv < 1 %, dengan lama waktu pemulihan untuk masing-masing beban
diperoleh sebesar 0,1 mili sekon. Untuk masing-masing beban sensitif yang
dilindungi dengan tegangan dc yang konstan akan tetap mempertahankan tegangan
fasa A, fasa B dan fasa C pada nilai 1 pu.
1127
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
Tabel 4.1. Hasil pengukuran DVR pada sistem tiga fasa dengan tegangan dc 140
V sumber tanpa
DVR (pu)
V beban dilindungi
DVR (pu)
volt.
VA
VB
VC
THDv
Tegangan
Beban
(%)
28.6
1
1
1
0.86
0.03 s - 0.0301 s
54
30
1
1
1
0.61
0.03 s - 0.0301 s
1
54.2
30.5
1
1
1
0.56
0.03 s - 0.0301 s
1
55.6
31.4
1
1
1
0.64
0.03 s - 0.0301 s
1
1
57.3
32.1
1
1
1
0.55
0.03 s - 0.0301 s
0.8
1
1
57.8
32.8
1
1
1
0.58
0.03 s - 0.0301 s
8000
0.8
1
1
57.9
33.5
1
1
1
0.68
0.03 s - 0.0301 s
8500
0.8
1
1
59
34
1
1
1
0.61
0.03 s - 0.0301 s
9000
0.8
1
1
60.3
34.5
1
1
1
0.62
0.03 s - 0.0301 s
9500
0.8
1
1
60.6
34.9
1
1
1
0.64
0.03 s - 0.0301 s
10000
0.8
1
1
61.1
35.4
1
1
1
0.64
0.03 s - 0.0301 s
Daya
Beban
(watt)
VC
Vout
inverter
(RMS)
V fasa A
injeksi
(volt)
VA
VB
5000
0.8
1
1
53.5
5500
0.8
1
1
6000
0.8
1
6500
0.8
1
7000
0.8
7500
Waktu Pemulihan
Terdapat tiga metode kompensasi kedip tegangan pada DVR, yaitu :
metode pre-sag, metode in-phase dan metode optimasi energi. Pada model yang
akan dianalisis dilakukan metode kompensasi dengan menggunakan in-phase,
dimana pada metode ini tegangan yang akan dikompensasi sefasa dengan kedip
tegangan yang terjadi. Deteksi fasa pada model ini menggunakan phase locked
loop supaya tidak terjadi lompatan fasa antara tegangan sumber dengan tegangan
hasil pemulihan. Tegangan injeksi DVR akan dipengaruhi oleh pertambahan
beban yang akan dilindungi.
Pada Tabel 4.2 tersebut ditunjukkan besar tegangan injeksi dengan Vdc
konstan dengan nilai sebesar nilai maksimum yang dibutuhkan oleh daya yang
terbesar. Dengan meningkatnya besar daya beban sensitif yang dilindungi maka
besar tegangan keluaran inverter dan besar tegangan injeksi akan meningkat.
Tegangan injeksi tersebut diperoleh dari tegangan yang diberikan oleh inverter.
Inverter tersebut bekerja setelah memperoleh pulsa dari PWM, dimana PWM
mendapat tegangan kontrol dari regulator tegangan yang berfungsi mendeteksi
keadaan tegangan pada sisi beban sensitif atau beban yang dilindungi. PWM akan
memperoleh sinyal sinusoidal hasil konversi dari Vdqo menjadi Vabc
menggunakan transformasi Park. Pada Gambar 4.6 dan Gambar 4.7 ditunjukkan
grafik antara besar daya beban sensitif yang dilindungi terhadap besar tegangan
keluaran inverter (RMS) dan grafik antara besar daya beban sensitif yang
dilindungi terhadap tegangan keluaran filter pasif.
1128
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
Tabel 4.2. Tegangan injeksi untuk masing-masing daya beban sensitif
Daya Beban
(watt)
Vout inverter
(RMS)
V fasa A injeksi
(volt)
5000
53.5
28.6
5500
54
30
6000
54.2
30.5
6500
55.6
31.4
7000
57.3
32.1
7500
57.8
32.8
8000
57.9
33.5
8500
59
34
9000
60.3
34.5
9500
60.6
34.9
10000
61.1
35.4
65
60
55
50
45
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
Vout Inverter RMS (volt)
Daya Beban VS Vout Inverter
(RMS)
Daya Beban Sensitif (watt)
Gambar 4.7. Grafik daya beban sensitif VS Vout inverter (RMS)
1129
_____________
ISSN 0853-0203
Daya Beban VS tegangan injeksi
output filter
40
30
20
10
0
5000
5500
6000
6500
7000
7500
8000
8500
9000
9500
10000
Tegangan Injeksi output filtter
(volt)
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
Daya Beban Sensitif (watt)
Gambar 4.8. Grafik daya beban sensitif VS tegangan injeksi output filter
V. KESIMPULAN
1. Dari hasil pengujian terhadap suatu jaringan yang mengalami gangguan
satu fasa ke tanah diperoleh hasil bahwa Dynamic Voltage Restorer
dengan model yang diusulkan sudah dapat memulihkan tegangan menjadi
1 pu dengan lama waktu pemulihan kedip tegangan selama 0,1 mili detik
dan tidak mengganggu fasa yang tidak terganggu
2. Filter pasif yang digunakan pada DVR tiga fasa dapat mengurangi THD
tegangan keluaran inverter menjadi 4,06 % atau lebih kecil dari 5% dan
dengan meningkatnya besar daya beban sensitif yang dilindungi, maka
tegangan keluaran inverter dan tegangan keluaran dari filter pasif akan
meningkat juga.
DAFTAR PUSTAKA
Dugan, Mc. Granaghan, Santoso, Beaty, “ Electrical Power System Quality”, Mc.
Graw Hill, 2002.
Heine, Pirjo, “ Voltage Sag Distributions Caused by Power System
Faults”, IEEE Transaction on Power System, 2003.
Kamble, Thorat, “ Voltage Sag : A Major Power Quality Issue”, India:
Department of Electical Engineering Aurangabad.
Bollen, Math, “ Voltage Sags”, Taylor and Francis Group, 2006.
Fitzer, Barnes, “ Voltage Sag Detection Technique For a Dynamic Voltage
Restorer” IEEE Transaction on Industry Applications, 2004.
Wahab, Yusof, “ Voltage Sag and Mitigation Using Dynamic Voltage Restorer”,
Elektrika, Vol. 8, No.2, 2006.
1130
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
Kumar and Nagaraju, “ Power Quality Improvement Using D-Statcom And
DVR”, International Journal of Electrical and Power Engineering Medwell
Journal, 2007
Nguyen
and Saha, “Dynamic Voltage Restorer Against Balance
Unbalance Voltage Sag : Modelling and Simulation”, IEEE, 2004
and
Tumay et.al, “ Simulation and Modelling of A Dynamic Voltage Restorer”,
Cukurova University, Turkey, 2005.
Granaghan, “ Voltage Sags in Industrial System”, IEEE Transaction in ndustry
Applications, 199
Patne, Thakre, “Factor Affecting Characteristic of
Voltage Sag Due to Fault in the Power System” Serbian Journal Of
Electrical Engineering, May 2008.
El-Shennawy, Gammal, Ghazala, Moussa, “ Mitigation of Voltage Sags in a
Refinery With Induction Motors Using Dynamic Voltage Restorer”
European Journal Of Scientific Research, 2009.
Won et.al, “A New Definition of Voltage Sag Duration Considering The Voltage
Tolerance Curve”, IEEE Power Tech. Conference, 2003.
Jurado, “Fuzzy Logic Control of A Dynamic Voltage Restorer”, IEEE,
2004.Benachaiba, Ferdi, “ Voltage Quality Improvement Using DVR”,
Electrical Power Quality and Utilisation, Journal Vol. XIV, No. 1, 2008.
Mohan, Undeland, Robbins, “ Power Electronics : Converters, Applications and
Design”, John Wiley, 1995.
Dahono, “An LC Filter Design Method for Single Phase PWM Inverter”, IEEE
Catalogue No. 95TH8025, 1995.
Rosli, Abdul Rahim, Sulaiman, “ Modelling And Simulation For Voltage Sag/
Swells Mitigation Using Dynamic Voltage Restorer”, Journal of
Theoritical and Applied Information Technology, 2009.
Benachaiba, “ Power Quality Improvement Using DVR” American Journal of
Apllied Sciences, 2009.
Dong-Myung Lee et.al, “ A Voltage Supporter Utilizing a PWM –
Switched
Autotransformer”, IEEE Transactions On Power Electronics Vol.22, No.2,
March 2007.
Kai Ding et.al, “A Novel Detection Method for Voltage Sags”, Second
International Conference on Power Electronics Systems and Applications,
2006.
Montgomery, “Design and Analysis of Experiments”, Wiley-India, 2007.
1131
_____________
ISSN 0853-0203
VISI (2012) 20 (3) 1113-1131
1132
_____________
ISSN 0853-0203