Efektifitas Implementasi Hybrid Active Power Filter Untuk Mereduksi Harmonisa

Pada Jaringan Distribusi 20 kV

Rahim Frihatna SaputraJurusan Teknik Elektro S-1, Konsentrasi Teknik Energi Listrik

Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Nasional MalangJl. Raya Karanglo Km 2 MalangE-mail : boo13_go@yahoo.com

AbstrakGangguan tegangan merupakan permasalah kualitas daya yang sangat penting yang

dihadapi oleh banyak pengguna industri. Gangguan tegangan meliputi naik dan turunnya tegangan sistem dan timbulnya harmonisa. Harmonisa dapat ditimbulkan oleh pensaklaran (switching) beban atau beban non-linier, karena setiap kali terjadi pensaklaran akan muncul pulsa-pulsa arus yang tidak teratur. Munculnya pulsa arus yang tidak teratur ini karena adanya spektrum harmonisa frekuensi, termasuk frekwensi dasar 50 Hertz dan kelipatannya. Untuk memenuhi kebutuhan atas permasalahan harmonisa yang dihadapi oleh PT Budi Texindo Prakasa Serang-Banten, sebuah industri dengan sistem jaringan 20 kV, maka dipasang dan disimulasikan sebuah hybrid active power filter (HAPF). Pemodelan dari sistem dan simulasi profil harmonisa dengan dan tanpa hybrid active power filter menggunakan software PSCAD/EMTDC pada bus-bus yang dipilih. Dari simulasi tersebut didapatkan bahwa total harmonic distortion (THD) masing-masing untuk arus dan tegangan mengalami penurunan yang cukup signifikan dari 18.81% menjadi 4.17 % dan 14.06% menjadi 2.4%.

Kata kunci : sistem distribusi, HAPF, Harmonisa Arus dan Tegangan

AbstractVoltage disturbance is the most important power quality problem faced by many

industrial customers. Voltage disturbances include voltage sag, swell, spikes and harmonic. Harmonics are created by switching loads or nonlinear loads, because each time the current is switched on and off, a current pulse is created. The resulting pulsed waveform is made of a spectrum of harmonic frequencies, including 50Hz fundamental and multiples of it. To meet the demand for more efficient mitigation solution of harmonics problem faced by PT Budi Texindo Prakasa Serang-Banten, an industry with 20 kV power distribution system network, a hybrid active power filter (HAPF). To model the system components and simulate the harmonics profile with and without hybrid active power filter a PSCAD/EMTDC software were used on selected buses. The simulation results showed that the total harmonic distortion (THD) of current and voltage is reduced significantly from 18.81% to 4 .17% and 14.06% to 2.4% respectively.

Key words: distribution system, HAPF, Current and Voltage Harmonics

I. PENDAHULUAN1.1 Latar Belakang

Dengan meningkatnya usaha di sektor industri dan meningkatnya taraf hidup masyarakat maka kebutuhan akan energi listrik semakin meningkat pula, sehingga diperlukan penyediaan energi listrik beserta jaringan dan penyaluran yang sangat baik. Berkembangnya industri-industri menyebabkan peran penggunaan alat-alat listrik dan beban-beban non linier akan semakin luas. Sistem distribusi daya listrik dengan beban non linier yang besar dapat menyebabkan kualitas daya yang buruk pada ujung hubungan atau sisi penerima, seperti penurunan besaran tegangan, faktor daya yang rendah dan kenaikan konten harmonisa arus maupun tegangan. Fenomena seperti tersebut diatas terjadi pada sistem jaringan distribusi 20 kV di industri tekstil PT.Budi Texindo Prakarsa. Sebagai akibatnya, terjadi gangguan dan penurunan performa sistem antara lain seperti kerusakan pada trafo, motor listrik dan penurunan tingkat produksi.

Salah satu solusi yang dapat dilakukan untuk memperbaiki fenomena tersebut diatas adalah dengan memasang filter aktif harmonisa, berupa Hybrid Active Power Filter. Dengan pemasangan HAPF tersebut, total daya listrik yang didistribusikan dapat digunakan sesuai dengan kebutuhan beban dan dapat menurunkan distorsi harmonisa tegangan dan arus tidak melebihi batas yang ditetapkan sesuai standar IEEE Std. 519-1992, yaitu ≤ 5.00 % dan ≤ 3.00 % untuk sumber tegangan di bawah 69 kV [1]

1.2 Rumusan masalahPermasalahan yang akan dibahas

pada penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut:

1. Bagaimana performa sistem industri tekstil di PT. BUDI TEXINDO PRAKARSA dalam kondisi base case (sebelum dipasang HAPF)?

2. Bagaimana timbulnya fenomena penurunan performa sistem pada kondisi base case?

3. Bagaimana performa sistem industri tekstil PT. BUDI TEXINDO PRAKARSA dalam kondisi setelah dipasang HAPF?

4. Bagaimana efek dari implementasi HAPF pada sistem jaringan distribusi 20 kV di PT. BUDI TEXINDO PRAKARSA secara keseluruhan?

1.3 Tujuan penulisanBerdasarkan permasalahan yang

dikemukakan di atas maka, tujuan dalam penulisan skripsi ini adalah:

1. Untuk melihat pengaruh harmonisa tegangan dan arus pada sistem jaringan distribusi 20 kV di industri tekstil PT. BUDI TEXINDO PRAKARSA.

2. Merancang dan mengimplementasikan Hybrid Active Power Filter untuk mereduksi harmonisa tegangan dan arus pada sistem jaringan distribusi 20 kV di di industri tekstil PT. BUDI TEXINDO PRAKARSA.

3. Menganalisa pengaruh – pengaruh hasil implementasi Hybrid Active Power Filter pada sistem jaringan distribusi 20 kV di industri tekstil PT. BUDI TEXINDO PRAKARSA.

1.4 Batasan MasalahUntuk mencapai sasaran yang

diinginkan, maka lingkup pembahasan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Sistem yang akan di teliti sebagai studi kasus dalam penelitian ini adalah jaringan distribusi 20 kV pada industry tekstil PT. Budi Texindo Prakarsa.

2. Untuk melihat performa sistem dalam penelitian ini menggunakan software PSCAD/EMTDC V4.2 Power Simulation.

3. Indikator akhir dari analisis sistem tersebut adalah Total Harmonic Distortion (THD) arus dan tegangan.

II. Kajian Pustaka2.1 Pengertian Harmonisa Harmonisa adalah gangguan yang terjadi pada sistem distribusi tenaga listrik akibat terjadinya distorsi gelombang arus dan tegangan. Pada dasarnya, harmonisa adalah gejala pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi berbeda yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan frekuensi dasarnya.

Gambar 1. Bentuk Gelombang Resultan dari Frekuensi Dasar dan Harmonisanya

2.2 Sumber HarmonisaBeban non linier yang umumnya

merupakan peralatan elektronik yang didalamnya banyak terdapat komponen semi konduktor, dalam proses kerjanya berlaku sebagai saklar yang bekerja pada setiap siklus gelombang dan sumber tegangan. Proses kerja ini akan menghasilkan gangguan atau distorsi gelombang arus yang tidak sinusoidal. Bentuk gelombang ini tidak menentu dan dapat berubah menurut pengaturan pada parameter komponen semi konduktor dalam peralatan elektronik. Perubahan bentuk gelombang mi tidak terkait dengan sumber tegangannya. Beberapa peralatan yang dapat menyebabkan timbulnya harmonik antara lain komputer, printer, lampu fluorescent yang menggunakan elektronik ballast, kendali kecepatan motor, motor induksi, batere charger, dll. Peralatan ini dirancang untuk menggunakan arus listrik secara hemat dan efisien karena arus listrik hanya dapat melalui komponen semikonduktornya selama periode pengaturan yang telah di tentukan.

2.3 Identifikasi HarmonisaUntuk mengidentifikasi kehadiran

harmonisa pada sistem distribusi, dapat diketahui melalui langkah-langkah sebagai berikut:1. Identifikasi Jenis Beban Jenis beban

yang dipasok.2. Pemeriksaan Transformator

Apabila arus netralnya lebih besar maka dapat diperkirakan adanya harmonisa dan kemungkinan turunnya kinerja transformator.

3. Pemeriksaan Tegangan Netral TanahApabila tegangan yang terukur lebih besar dari 2 Volt maka terdapat indikasi

adanya masalah harmonisa pada beban tersebut.

2.4 Teori Perhitungan

1. Crest – factor (CF) [2]

Crest-factor adalah suatu pengukuran

nilai puncak dari gelombang dibandingkan

dengan nilai RMS.

Peak of waveform

Rms of waveform

Suatu gelombang sinus sempurna arus

atau tegangan akan mempunyai suatu CF =

akar 2

2. Faktor Harmonisa atau persentase

total harmonic distortion (%THD)Individual Harmonic Distortion (IHD)

adalah rasio antara nilai RMS dari harmonisa individual dan nilai RMS dari fundamental.

Total Harmonic Distortion (THD) adalah rasio antara nilai RMS dari komponen harmonisa dan nilai RMS dari fundamental.

Berdasarkan standar IEEE 519, 1992, ada dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonisa, Yaitu batasan untuk harmonisa arus dan batasan harmonisa tegangan.

Tabel 1. Standar Harmonisa Tegangan

Sistem Voltage IHDV

(%)THDV

(%)Vrms ≤ 69 kV 3.0 5.0

69 kV ≤ Vrms ≤ 161 kV 1.5 2.5Vrms ≥161 kV 1.0 1.5

Tabel 2. Standar Harmonisa Arus

Sistem Voltage Isc / Iload THDI

Vrms ≤ 69 kV

¿20 5.020-50 8.050-100 12.0

100-1000 15.0¿1000 20.0¿20 2.5

20-50 4.0

CF = (1)

69kV ≤ Vrms ≤ 161kV 50-100 6.0100-1000 7.5¿1000 10.0

Vrms ≥161 kV ¿50 2.5≥50 4.0

Isc = S(kVA)

% Z ×√ 3× kV (2)

THD Tegangan dan Arus [2] :

THDV = √∑

h=2

∝

Vh2

V F

(3)

THDI = √∑

h=2

∝

Ih2

I F

(4)

Vh ; Ih = Komponen Harmonisa

Vf ; If = Komponen Fundamental

2.5 Hybrid Active Power Filter Hybrid Active Power Filter merupakan filter yang memiliki topologi dan prosedur instalasi gabungan antara series active filter dengan shunt passive filter, dan shunt active filter dengan series passive filter.Kedua jenis gabungan filter ini mempunyai kegunaan yang sama yaitu dapat mereduksi komponen harmonisa arus dan tegangan pada orde – orde ganjil yang dominan.Terlihat seperti gambar 2[13].

Pada penelitian ini hybrid active power filter yang digunakan adalah modifikasi gabungan antara series active filter dan shunt active filter seperti pada gambar 3. series active filter digunakan untuk mereduksi harmonisa tegangan sedangkan shunt active filter digunakan untuk mereduksi harmonisa arus. Kedua filter aktif ini dipasang secara terpisah pada jaringan dan menggunakan persamaan p-q teori untuk menganalisa harmonisa tersebut.Dan keunggulan dari modifikasi filter ini adalah dapat mereduksi komponen harmonisa secara keseluruhan tidak seperti hybrid active filter sebelumnya yang hanya mereduksi komponen harmonisa pada orde – orde ganjil yang dominan.

2.6 Kontrol Jaringan[3]

Kontrol dari Series dan Shunt APF

didapatkan dari persamaan yang sangat

mudah :

Vc* = Kish (5)

Ic* = Kvsh (6)

Dimana ish dan vsh adalah sumber arus

dan tegangan harmonisa yang dapat di

hitung menggunakan persamaan P-Q teori.

Untuk menghitungnya, tegangan masukan

pada sumber (va, vb, vc) dan arus masukan

pada sumber (isa, isb, isc) harus diubah

menjadi αβorthogonal dengan

menggunakan persamaan matrik :

[VαVβ ]=√ 2

3 [1 −12

−12

0 √32

−√32

][VaVbVc ] (7)

[ IsαIsβ ]=√ 2

3 [1 −12

−12

0 √32

−√32

][ IsaIsbIsc] (8)

Daya nyata dan reaktif dapat di

hitung dengan :

[ pq ]=[Vα Vβ

Vβ −Vα ][ isαisβ ] (9)

Dengan menggunakan Lowpass filter,

osilasi komponen p dan q dapat dirubah

menjadi p_osilasi dan q_osilasi. Dalam

penelitian ini frekuensi dari lowpass filter

di cutoff 50 Hz. Sehingga, sumber arus dan

tegangan harmonisa dapat di hitung

dengan:

[ isahisbhisc h ]=√ 2

3 [ 1 0−12

√32

−12

−√32

][ Vα Vβ−Vβ Vα ] [~p~q ]

(10)

[Vsa hVsb hVsch ]=√ 2

3 [ 1 0−12

√32

−12

−√32

][ Vα Vβ−Vβ Vα ] [~p~q ]

(11)Gambar 3. Bentuk rangkaian hybrid active

power filter (Series Active dan Shunt

Passive)

Gambar 3 menunjukan rangkaian hybrid

active power filter dengan gabungan series

active dan shunt passive dapat dilihat

bahwa setelah direduksi oleh filter ini

bentuk gelombang arus dan tegangan yang

mengandung harmonisa masih mengalami

ripple atau cacat gelombang yang kecil.

Dan dari bentuk spectrum nya dapat dilihat

harmonisa dominannya yang direduksi

masih ada.

Gambar 3. Hybrid Active Power Filter ( Series Active dan Shunt Active )

III . Sistem Jaringan Distribusi 20 kV di

PT.BUDI TEXINDO PRAKARSA

SERANG – BANTEN3.1 Single Line Sistem Kelistrikan

PT.BUDI TEXINDO PRAKARSA SERANG – BANTEN

Gambar 4. Single Line jaringan distribusi PT.BUDI TEXINDO PRAKARSA

Gambar 3 menunjukan sistem jaringan 20 kV di PT. BUDI TEXINDO PRAKARSA SERANG – BANTEN, terdiri dari satu sumber 3 phasa dengan tegangan 20 kV yang di hubungkan secara parallel pada tiga trafo step-down dengan perbandingan CT primer dan skunder 20 / 0.38 kV. Sistem ini mempunyai 9 grup beban. Pada grup beban pertama dan kedua memiliki 7 beban, grup beban ketiga, keempat, kelima, ketujuh, kedelapan dan kesembilan memiliki 1 beban dan grup beban keenam memiliki 4 beban. Masing – masing dari beban tersebut berupa motor induksi dengan tegangan 0.38 kV. IV. Analisa Hasil dan Simulasi

Pada simulasi akan dilakukan pengambilan data berupa arus dan tegangan dengan perbandingan pada saat terjadi gangguan harmonisa tanpa filter dan dengan pemasangan filter. Setelah itu hasil keluaran dari arus dan tegangan akan dianalisa dan dapat dilihat seberapa besar kemampuan HAPF dalam mereduksi arus dan tegangan yang mengalami gangguan harmonisa.Untuk mensimulasikan system dalam software PSCAD Power Simulation maka terlebih dahulu digambarkan singleline sistem jaringan distribusi 20 kV pada PT. BUDI TEXINDO PRAKARSA SERANG – BANTEN. Kemudian mensimulasikan sesuai dengan langkah kerja dan menganalisa hasilnya. Berikut adalah flowchart simulasi sistem menggunakan HAPF pada software PSCAD.

Gambar 5. Flowchart penggunaan Hybrid Active Power Filter dengan software

PSCAD Power Simulation.4.1 Grafik hasil simulasi sebelum

pemasangan Hybrid Active Power Filter

Gambar 6. Grafik Tegangan dan Arus pada jaringan 20 kV PT. BUDI TEXINDO PRAKARSA SERANG - BANTEN

Gambar 6 menerangkan tentang bentuk gelombang arus dan tegangan pada jaringan distribusi 20 kV. Terlihat pada gambar tersebut gelombang arus dan tegangan tidak berbentuk sinusoida secara sempurna melainkan mengalami cacat pada bentuk gelombangnya. Hal ini disebabkan karena bentuk gelombang arus dan tegangan tersebut telah mengandung harmonisa. Bentuk gelombang ini dapat berdampak negatif pada jaringan distribusi yaitu berupa menurunnya peforma sistem jaringan antara lain seperti kerusakan pada trafo dan motor listrik.

Gambar 7. Spektrum harmonisa dari arus dan tegangan.

Gambar 7 menerangkan tentang spektrum harmonisa arus dan tegangan. Spektrum harmonisa adalah komponen yang digunakan untuk melihat nilai harmonisa secara jelas dari bentuk gelombangnya. Pada spektrum harmonisa yang terjadi baik arus dan tegangan mempunyai nilai orde

dominan yang sama yaitu orde ke 5th dan 7th.

4.2 Grafik hasil simulasi sesudah pemasangan Hybrid Active Power Filter

Gambar 8. Grafik Tegangan dan Arus pada jaringan 20 kV PT. BUDI TEXINDO PRAKARSA SERANG - BANTEN

Gambar 8 menerangkan tentang bentuk gelombang arus dan tegangan pada jaringan 20 kV. Pada gambar ini gelombang arus dan tegangan berbentuk sinusoida secara sempurna dikarenakan pada sistem jaringan distribusi 20 kV tersebut telah dipasang hybrid active power filter yang digunakan untuk mereduksi harmonisa arus dan tegangan.

Gambar 9. Spektrum harmonisa dari arus dan tegangan.

Gambar 9 menerangkan tentang spektrum harmonisa arus dan tegangan. Pada spektrum harmonisa ini terlihat bahwa orde harmonisa yang dominan yaitu 5th,7th dan orde harmonisa yang lain dapat tereduksi dengan sempurna.

4.3 Grafik hasil simulasi injeksi arus dan tegangan pada Hybrid Active Power Filter

Gambar 10. Grafik arus dan tegangan Injeksi pada keluaran PWM

Gambar 10 menerangkan tentang bentuk injeksi gelombang arus dan tegangan yang keluar dari PWM. Bentuk gelombang ini digunakan untuk mengurangi bentuk gelombang arus dan tegangan harmonisa pada sumber.

Tabel 3. Performa sistem sebelum dan sesudah pemasangan hybrid active power filter

Konfigurasi Sistem

Sebelum HAPF

Sesudah HAPF

Harmonisa Arus

3th 0.00122 0.00000155th 0.00349 0.00000517th 0.00076 0.00000329th 0.00014 0.000002111th 0.00041 0.000002113th 0.00024 0.000004515th 0.00019 0.0000059

Harmonisa Tegangan

3th 0.00149 0.0000235th 0.0246 0.0000077th 0.0101 0.0000079th 0.0027 0.00001311th 0.0097 0.00001313th 0.0064 0.00000215th 0.0021 0.000002

THD % I 18.81 % 4.17 %V 14.06 % 2.41 %

THD % Pengukuran

I 15.38 % 4.17 %V 10.06 % 2.41 %

Tabel 3 menerangkan tentang kinerja sistem sebelum dan sesudah pemasangan hybrid active power filter (HAPF) pada jaringan distribusi 20 kV di PT. BUDI

TEXINDO PRAKARSA SERANG – BANTEN. Pada saat sebelum pemasangan HAPF, dapat dilihat bahwa THD harmonisa arus dan tegangan yang dihasilkan sangat besar yaitu 18.81 % dan 14.06 %. Dan pada saat setelah pemasangan HAPF, dapat dilihat pula bahwa THD harmonisa arus dan tegangan yang dihasilkan berkurang secara signifikan yaitu 4.17% dan 2.41%.

V. KesimpulanPengaruh pemasangan Hybrid Active

Power Filter pada sistem jaringan distribusi 20 kV di PT. BUDI TEXINDO PRAKARSA pada saat terjadi gangguan harmonisa arus dan tegangan dengan menggunakan bantuan software PSCAD /EMTDC V4.2 Power System Simulation, maka dapat diambil kesimpulan : 1. HAPF (Hybrid Active Power Filter)

dapat mereduksi gangguan harmonisa arus dan tegangan.

2. Pada saat terjadi gangguan harmonisa arus dan tegangan pada sistem, dengan dipasangnya HAPF maka arus dan tegangan pada sistem dapat di reduksi sehingga bentuk gelombang arus dan tegangan yang dihasilkan akan sinusoida.

3. Pemasangan HAPF pada sistem jaringan primer selain dapat mengatasi harmonisa arus dan tegangan juga mampu memperbaiki faktor (cosφ).

4. Setelah di filter, nilai referensi diambil dari jumlah harmonisa arus dan tegangan yang dihasilkan yaitu menjadi 2.41% dari 14.06% dan 4.17% dari 18.81%.

VI. Daftar Pustaka[1] Dennis J.Hansen, Harmonic Distortion,Engineering Standards And Technical Support Department, Salt Lake City : PacifiCorp, 1998[2] I. Daut , H.S. Syafruddin, dkk, The Effects Of Harmonic Components On Transformer Losses Of Sinusoidal Source Supplying Non- Linear Loads, Malaysia : Science Publication, 2006.[3] H. Akagi, Y. Kanazawa and A. Nabae, "Generalized Theory of the Instantaneous Reactive Power in Three-Phase Circuits," in Proc. IPECTokyo' 93 Int. Conf. Power Electronics, pp. 1375-1386, Tokyo, 1983.

[4] H. Akagi, Y. Kanazawa and A. Nabae, "Instantaneous Reactive Power Compensator Comprising Switching Devices Without En ergy Storage Components,"IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA-20, no. 3, pp. 625-630, 1984.[5] M. Aredes, "New Concepts of Power and its Application on Active Filters," (in portuguese) M.Sc. Thesis, COPPE – Federal University of Rio de Janeiro, Brazil, Nov. 1991.[6] E.H. Watanabe, R.M. Stephan and M. Aredes, "New Concepts of Instantaneous Active and Reactive Powers in Electrical Systems with Generic Loads," IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 8, no. 2, pp. 697- 703, April 1993.[7] S. Fryze, “Wirk-, Blind- und Scheinleistung in elektrischen Stromkainsen mit nicht-sinusfömigen Verlauf von Strom und Spannung,” ETZArch. Elektrotech., vol. 53, 1932, pp. 596-599, 625-627, 700-702.

[8] L. Malesani, L. Rosseto, P. Tenti, “Active Filter for Reactive Power and Harmonics Compensation”, IEEE – PESC 1986, pp. 321-330.[9] T. Furuhashi, S. Okuma, Y. Uchikawa, "A Study on the Theory of Instantaneous[10] Reactive Power," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 37, no. 1, pp. 86-90, Feb. 1990.[11] L. Rossetto, P. Tenti, "Evaluation of Instantaneous Power Terms in Multi-Phase Systems: Techniques and Application to Power-Conditioning Equipments," ETEP – Eur. Trans. Elect. Power Eng., vol. 4, no. 6, pp. 469-475, Nov./Dec. 1994.[12] M. Depenbrock, D. A. Marshall, J. D. van Wyk, "Formulating Requirements for a Universally Applicable Power Theory as Control Algorithm in Power Compensators," ETEP – Eur. Trans. Elect. Power Eng., vol. 4,no. 6, pp. 445-455, Nov./Dec. 1994.[13] J.G Pinto, R.Pregetzer,Luis F.C Monteiro,“Combined series active filter and passive filter for harmonics”, IEEE – 2007