Menurunkan Tingkat Arus Harmonisa Pada Sistem Tenaga Listrik Dengan Filter Pasif Frekuensi Tunggal ( Single-Tuned )

1
Menurunkan Tingkat Arus Harmonisa Pada Sistem
Tenaga Listrik Dengan Filter Pasif Frekuensi
Tunggal ( Single-Tuned )

• Nama Marsya Christalia Lesnussa
• NRP 23405042

2
Latar Belakang Masalah

• Harmonisa merupakan gangguan yang terjadi pada
  sistem distribusi tenaga listrik akibat
  terjadinya distorsi gelombang arus dan tegangan.
• Penggunaan peralatan yang mempunyai karakteristik
  non linier menyebabkan timbulnya harmonisa
• Keberadaan Arus harmonisa dalam sistem tenaga
  listrik tidak dapat dihilangkan.
• Salah satu cara untuk menurunkan kandungan arus
  harmonisa adalah dengan filter pasif frekuensi
  tunggal.

3
Perumusan Masalah

• Bagaimana menurunkan Total Harmonic Distortion
  (THD) arus dengan Filter Pasif Frekuensi Tunggal
  (Single-Tuned) yang disusun secara resonansi seri
  dan resonansi paralel.
• Bagaimana cara menentukan kapasitas filter pasif
  untuk mereduksi arus harmonisa yang mengalir ke
  sumber sistem daya
• Membandingkan hasil unjuk kerja resonansi seri
  dan resonansi paralel dalam menurunkan THD

4
Tujuan Tugas Akhir

• Tujuan dari tugas akhir ini adalah untuk
  mengetahui seberapa besar pengaruh dari filter
  pasif terhadap penurunan Total Harmonic
  Distortion pada sistem tenaga listrik

5
Ruang Lingkup Pembahasan

• Data yang digunakan untuk penelitian adalah data
  sekunder (data dari buku TA Hendra Lokito,
  Handoko, dan Eko Hadiwibowo serta data dari
  laporan KP Melinda dan Hartanto).
• Pembahasannya dilakukan dengan simulasi
  menggunakan software ETAP

6
Dasar Teori

• Perkembangan beban listrik yang semakin besar dan
  komplek, serta pemakaian komponen semikonduktor
  dalam konversi energi listrik seperti peralatan
  converter, inverter, dan lain-lain yang merupakan
  beban non-linier akan menimbulkan perubahan
  bentuk gelombang aslinya, yang disebabkan oleh
  interaksi antara bentuk gelombang sinusoidal
  sistem dengan komponen gelombang lain.
• Distorsi harmonik memberikan kerugian berupa
  penurunan kualitas sistem tenaga listrik antara
  lain, terjadi pemanasan pada peralatan, penurunan
  faktor daya, masalah resonansi dan lain-lain.
  Untuk meningkatkan kualitas sistem tenaga listrik
  maka distorsi harmonik harus ditekan seminimal
  mungkin

7
Harmonisa

• Definisi Harmonisa
• Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul
  akibat pengoperasian beban listrik non linier
  sehingga terbentuklah gelombang frekuensi tinggi
  yang merupakan kelipatan dari frekuensi
  fundamentalnya

8
Pengaruh Harmonisa

• Efek utama dari tegangan dan arus harmonisa di
  dalam sistem tenaga adalah
• Penambahan tingkat harmonisa akibat dari
  resonansi hubungan seri dan pararel.
• Penurunan efisiensi pada daya generator,
  transmisi dan pemakaiannya.
• Interferensi dengan rangkaian-rangkaian telepon
  (telekomunikasi) dan pemancar karena arus
  harmonisa urutan nol.
• Kesalahan-kesalahan pada meter-meter piringan
  putar pengukur energi.

9
Standart Harmonisa

• Berdasarkan IEEE Standard 519-1992
• Tabel 2.1. Current Distortion Limits untuk
  General Distribution System

Maximum Harmonics Current Distortion In IL Maximum Harmonics Current Distortion In IL Maximum Harmonics Current Distortion In IL Maximum Harmonics Current Distortion In IL Maximum Harmonics Current Distortion In IL Maximum Harmonics Current Distortion In IL Maximum Harmonics Current Distortion In IL
Individual Harmonic Order (Odd Harmonics) Individual Harmonic Order (Odd Harmonics) Individual Harmonic Order (Odd Harmonics) Individual Harmonic Order (Odd Harmonics) Individual Harmonic Order (Odd Harmonics) Individual Harmonic Order (Odd Harmonics) Individual Harmonic Order (Odd Harmonics)
Isc/ IL lt 11 11lthlt17 17lthlt23 23lthlt35 35lth THD
lt20 4 2 1.5 0.6 0.3 5
20-50 7 3.5 2.5 1 0.5 8
50-100 10 4.5 4 1.5 0.7 12
100-1000 12 5.5 5 2 1 15
gt1000 15 7 6 2.5 1.4 20
10
Tabel 2.2. Voltage Distortion Limits
Voltage at PCC Individual Voltage Distortion () Total Harmonic Distortion THD ()
69 kV and below 3.0 5.0
69 kV 161 kV 1.5 2.5
161 kV 1.0 1.5
11
Filter Pasif

• Filter pasif merupakan konfigurasi rangkaian RLC
  (resistor, induktor, kapasitor) dan di-tune untuk
  mengontrol harmonisa
• Ada beberapa teknik yang dapat digunakan untuk
  menurunkan tingkat arus harmonisa, yaitu dengan
  filter pasif frekuensi tunggal (Single-Tuned)
  maupun multi frekuensi (Multiple-Tuned).

12
Komponen Filter

• Kapasitor
• Untuk mencari besarnya kapasitor yang dibutuhkan
  adalah
• Untuk mencari tegangan kapasitor, dapat digunakan
  rumus sebagai berikut
• Untuk mencari impedansi harmonisa ke-h, dapat
  menggunakan rumus sebagai berikut

13
Komponen Filter

• Induktor
• Induktor yang digunakan dalam rangkaian filter
  dirancang untuk mampu menahan frekuensi tinggi
  yaitu skin effect dan rugi-rugi histerisis.
• Untuk mencari besar induktor yang dibutuhkan
  adalah
• Untuk mencari impedansi induktor pada harmonisa
  ke-h, dapat digunakan rumus sebagai berikut
• XL(h) h XL

14

• Untuk mencari arus harmonisa beban
• I harmonisa beban

15
PENGUMPULAN DATA

• Sumber Pembangkit Listrik
• P.T. Yanaprima Hastapersada mendapatkan suplai
  listrik dari 2 Gardu Induk, yaitu dari Gardu
  Induk Sidokepung dan Gardu Induk Tulangan.
• Suplai dari PLN akan masuk ke transformator step
  down, dari tegangan tinggi (20 kV), masuk ke 3
  buah transformator yang digunakan untuk
  menurunkan tegangan menjadi 400 V. Adapun daya
  masing-masing transformator adalah 2000 kVA, 1000
  kVA dan 1250 kVA.

16
Spesifikasi Transformator

• Tabel 3.1. SpesifikasiTransformator1

Phase Phase 3
Frekuensi Frekuensi 50
kVA kVA 2000
Volt HV 20000
  LV 400
Ampere HV 57,73
  LV 2886,75
Impedance Impedance 6
BIL (kV) HV BIL (kV) HV LI 125 AC50 / LI AC3
Order no. Order no. STK 405796
Serial no. Serial no. 9630776
Year of manufacture Year of manufacture 1996
Standard Standard IEC-76
Type of cooling Type of cooling ONAN
Vector Group Vector Group Dyn-5
Oil (Diala B) Oil (Diala B) 1480 Liter
17
Spesifikasi Transformator

• Tabel 3.1. Spesifikasi Transformator 1 (sambungan)

Transformator weight 5210 kg
HV Tap Voltage 21000
HV Tap Voltage 20500
HV Tap Voltage 20000
HV Tap Voltage 19500
HV Tap Voltage 19000
18
Spesifikasi Transformator

• Tabel 3.2. Spesifikasi Transformator 2

Phase Phase 3
Frekuensi Frekuensi 50
kVA kVA 1000
Volt HV 20000
  LV 400
Ampere HV 28,86
  LV 1443,37
Impedance Impedance 5
BIL (kV) HV BIL (kV) HV LI 125 AC50 / LI AC3
Order no. Order no. V2-460
Serial no. Serial no. 231522
Year of manufacture Year of manufacture 2002
Standard Standard IEC-76
19
Spesifikasi Transformator

• Tabel 3.2. Spesifikasi Transformator 2 (sambungan)

Type of cooling ONAN
Vector Group Dyn-5
Oil (Diala B) 817 Liter
Transformator weight 3000 kg
HV Tap Voltage 22000
HV Tap Voltage 21000
HV Tap Voltage 20000
HV Tap Voltage 19000
HV Tap Voltage 18000
20
Spesifikasi Transformator

• Tabel 3.3. Spesifikasi Transformator 3

Phase Phase 3
Frekuensi Frekuensi 50
kVA kVA 1250
Volt HV 20000
  LV 400
Ampere HV 36
  LV 1804,2
Impedance Impedance 5,5
BIL (kV) HV BIL (kV) HV LI 125 AC50 / LI AC3
21
Spesifikasi Transformator

• Tabel 3.3. Spesifikasi Transformator 3 (sambungan)

Order no. STK 005198
Serial no. 9630776
Year of manufacture 1998
Standard IEC-76
Type of cooling ONAN
Type of cooling  
Vector Group Dyn-5
Oil (Diala B) 920 Liter
Transformator weight 920 Liter
HV Tap Voltage 21000
HV Tap Voltage 20500
HV Tap Voltage 20000
HV Tap Voltage 19500
HV Tap Voltage 19000
22
Data Hasil Pengukuran

• Hasil Pengukuran tegangan, arus, frekuensi,
  cos phi, dan daya, dapat dilihat pada tabel 3.4.
  Data Pengukuran (lihat bab 3, hal.25-27)
• Data hasil pengukuran 3 fasa yang dilakukan pada
  SDP PP1 dapat dilihat pada
• Tabel 3.5. Data Pengukuran 3 Fasa Pada Fasa R
  (bab 3, hal.28)
• Tabel 3.6. Data Pengukuran 3 Fasa Pada Fasa S
  (bab 3, hal.29)
• Tabel 3.7. Data Pengukuran 3 Fasa Pada Fasa T
  (bab 3, hal.30)

23

• Berdasarkan tabel 3.4. jumlah daya aktif pada
  PP1, PP2 dan PP7 adalah sebesar 1046.6 kW,
  sedangkan untuk daya reaktif adalah sebesar
  902.24 kVAR.
• ? P1,2,7 1046.6 kW
• ? Q1,2,7 902.24 kVAR
• P S x cos T
• Q S x sin T

24

• tg T 0.862
• T arc tg 0.862
• T 40.76
• Cos T 0.75
• Jadi faktor daya awal adalah 0.75
• Sedangkan berdasarkan data dari Gambar 3.1. maka
  besar kVA terpasang adalah 1391 kVA.

25
Sistem Suplai Listrik P.T. Yanaprima Hastapersada
26
PERENCANAAN FILTER DAN ANALISA

• Perhitungan Total Harmonic Distortion (THD)
• Perhitungan ITHD.
• Diasumsikan bahwa spektrum harmonisa PP1, PP2
  dan PP7 sama, karena itu perhitungan THDi
  disederhanakan dengan menggunakan persentasi arus
  rms sesuai tabel 3.7. pengukuran pada fasa T

33,67
27

• Perhitungan VTHD.
• Berdasarkan tabel 3.7. pengukuran pada fasa T

1,78
28

• Perhitungan Kapasitas Filter Pasif untuk
  Mereduksi Arus Harmonisa yang mengalir ke Sumber
  Sistem Tenaga Listrik.

29

• Impedansi hubung singkat saluran 20 kV ke 400V
• Resistansi sumber

dengan
mO
30

• Reaktansi sumber

mO
31

• Resistansi transformator

mO
mO
32

• Reaktansi transformator

dengan Z
mO
mO
mO
33

• Menentukan kapasitas efektif daya reaktif filter
  (Rumus. 2.6)
• Qeff S x sin(arc cos pf0) sin(arc cos
  pf1)
• Qeff 1391 x sin(arc cos 0.75) sin(arc cos
  0.95)
• Qeff 1391 x (0.661 0.312)
• Qeff 485.459 kVAR

34

• Menentukan frekuensi tuning filter
• Menurut IEEE 1531-2003 filter harmonisa
  frekuensi tunggal, pemilihan frekuensinya
  ditentukan 3-15 dibawah frekuensi yang
  ditentukan.
• Jadi frekuensi tuning filter adalah 3 dari 250
  hz (frekuensi harmonisa ke-5) hasilnya (f5) 243
  hz, dan nilai penalaannya (h) adalah 4.86

35

• Menentukan reaktansi efektif filter (Rumus. 2.7)

O
36

• Menentukan reaktansi kapasitif dan reaktansi
  induktif pada frekuensi fundamental (Rumus. 2.8)

37

• Tentukan nilai kapasitor (Rumus. 2.14)

mF
38

• Reaktansi induktif (Rumus. 2.18)

39

• Tentukan nilai induktor (Rumus. 2.19)

0.0461mH
40

• Menentukan arus rms filter
• Tentukan arus fundamental beban

41

• Tentukan arus fundamental filter (Rumus. 2.9)

42

• Arus orde ke-5 pada filter
• Tentukan reaktansi induktor pada harmonisa ke-5.
  (Rumus. 2.20)
• Tentukan reaktansi kapasitor pada harmonisa ke-5.
  (Rumus. 2.16)

43

• Nilai resistansi hubung singkat untuk orde ke-5
• Arus harmonisa beban orde ke-5
• Pada hasil pengukuran (lihat tabel 3.7)
  diketahui bahwa arus harmonisa ke-5 sebesar
  30.49, maka total harmonisa beban dapat dicari
  sesuai dengan perhitungan di bawah ini

mO
44

• Impedansi hubung singkat pada harmonisa orde
  ke-5
• Arus harmonisa orde ke-5 menuju ke filter
• 
  

mO
45

• Arus harmonisa orde ke-5 menuju ke sumber
• Perbandingan terhadap arus fundamental
• Dengan perhitungan yang sama maka pemasangan
  filter pada orde ke-5 pada frekuensi tune 4.86
  tersebut akan menghasilkan pembagian arus orde 1
  sampai orde 31 seperti dalam tabel 4.1.

46
Tabel 4.1. Hasil perhitungan arus setelah
pemasangan filter pasif orde ke-5 di bus 0.4 kV
h IL (A) If(h) Is(h) Is(h) ()
1 1901.53 701.08 1200.4 63.131
3 78.7032 13.82 64.883 3.4122
5 612.159 527.83 84.327 4.4347
7 120.263 48.122 72.142 3.7939
9 15.6603 5.1336 10.527 0.5536
11 98.379 29.545 68.834 3.6199
13 48.9887 14.035 34.953 1.8382
15 10.8418 3.0191 7.8227 0.4114
17 9.03481 2.4696 6.5652 0.3453
19 25.4982 6.8809 18.617 0.9791
21 5.42089 1.4494 3.9715 0.2089
23 12.448 3.3055 9.1425 0.4808
25 12.448 3.2881 9.1598 0.4817
27 2.20851 0.581 1.6275 0.0856
29 12.2472 3.2112 9.0359 0.4752
31 8.23172 2.1526 6.0791 0.3197
47

• Berdasarkan data dari tabel 4.1.maka perhitungan
  arus THD adalah sebagai berikut
• 12.73

48

• Simulasi Sistem dengan Program ETAP
• Simulasi dengan menggunakan kapasitor existing
  690 kVAR
• Simulasi tanpa menggunakan kapasitor
• Simulasi dengan menggunakan kapasitor existing
  dan filter pasif (690 kVAR)
• Simulasi dengan menggunakan filter pasif dan
  kapasitor hasil perhitungan (485.459 kVAR)
  disusun secara resonansi seri
• Simulasi dengan menggunakan filter pasif dan
  kapasitor hasil perhitungan (485.459 kVAR)
  disusun secara resonansi paralel

49

• Simulasi Dengan Menggunakan Kapasitor Existing
  690 kVAR
• Dari hasil simulasi (Lampiran 1) terlihat bahwa
  total arus harmonisa pada bus 3 adalah sebesar
  91.39 dengan faktor daya sebesar 0.978.

50

• Simulasi Tanpa Menggunakan Kapasitor
• Dari hasil simulasi (Lampiran 2) terlihat bahwa
  total arus harmonisa pada bus 3 adalah sebesar
  32.54 dengan faktor daya sebesar 0.753.

51

• Simulasi Dengan Menggunakan Kapasitor Existing
  dan Filter Pasif 690 kVAR
• Berdasarkan hasil perhitungan diatas, hasil
  simulasi (Lampiran 3) terlihat bahwa total arus
  harmonisa pada bus 3 adalah sebesar 10.65
  dengan faktor daya sebesar 0.98.

52

• Simulasi Dengan Menggunakan Filter Pasif dan
  Kapasitor Hasil Perhitungan (485.459 kVAR)
  Disusun Secara Resonansi Seri
• Dari hasil simulasi (Lampiran 4) terlihat bahwa
  total arus harmonisa pada bus 3 adalah sebesar
  11.69 dengan faktor daya sebesar 0.933.

53

• Simulasi Dengan Menggunakan Filter Pasif dan
  Kapasitor Hasil Perhitungan (485.459 kVAR)
  Disusun Secara Resonansi Paralel
• Dari hasil simulasi (Lampiran 5) terlihat bahwa
  total arus harmonisa pada bus 3 adalah sebesar
  12.39 dengan faktor daya sebesar 0.932.

54

• Tabel 4.2. Rekap Hasil Simulasi Sistem di ETAP

Kondisi ITHD Standar ITHD VTHD Standar VTHD Cos f Ketetapan Cos f PLN
Dengan kapasitor existing 690 kVAR 91.39 20 16.62 5 0.97 gt 0.85
Tanpa kapasitor 32.54 20 8.03 5 0.75 gt 0.85
Dengan kapasitor existing dan filter pasif (690 kVAR) 10.65 20 2.88 5 0.98 gt 0.85
Dengan filter pasif dan kapasitor hasil perhitungan (485.459 kVAR) (resonansi seri) 11.69 20 3.29 5 0.93 gt 0.85
Dengan filter pasif dan kapasitor hasil perhitungan (485.459 kVAR) (resonansi paralel) 12.39 20 3.31 5 0.93 gt 0.85
55
PENUTUP

• KESIMPULAN
• Dari perhitungan dan hasil simulasi menggunakan
  ETAP Versi 4.0.0 dapat disimpulkan bahwa
• Filter pasif dapat digunakan untuk meredam
  harmonisa arus, baik yang disusun secara
  resonansi seri maupun resonansi paralel, terlihat
  dari tingkat penurunan ITHD yang dihasilkan,
  dimana keduanya masih dalam standar yang
  ditetapkan.
• Dari hasil perhitungan yang dilakukan nilai
  kapasitor dan induktor yang dibutuhkan untuk
  meredam harmonisa arus ke-5 adalah sebesar 9.2578
  mF dan 0.0461 mH, agar filter dapat bekerja
  dengan baik sesuai dengan perancangan sistem pada
  simulasi.
• Filter pasif yang disusun secara resonansi seri
  maupun yang disusun secara resonansi paralel,
  sama-sama efektif didalam meredam harmonisa arus
  yang terjadi dalam sistem kelistrikan.

56

• Terima kasih