Page 1
MENURUNKAN TINGKAT ARUS MENURUNKAN TINGKAT ARUS
HARMONISA PADA SISTEM HARMONISA PADA SISTEM
TENAGA LISTRIK DENGAN TENAGA LISTRIK DENGAN
FILTER PASIF FREKUENSI FILTER PASIF FREKUENSI
TUNGGAL ( TUNGGAL ( SINGLESINGLE--TUNEDTUNED ))
MENURUNKAN TINGKAT ARUS MENURUNKAN TINGKAT ARUS
HARMONISA PADA SISTEM HARMONISA PADA SISTEM
TENAGA LISTRIK DENGAN TENAGA LISTRIK DENGAN
FILTER PASIF FREKUENSI FILTER PASIF FREKUENSI
TUNGGAL ( TUNGGAL ( SINGLESINGLE--TUNEDTUNED ))TUNGGAL ( TUNGGAL ( SINGLESINGLE--TUNEDTUNED ))TUNGGAL ( TUNGGAL ( SINGLESINGLE--TUNEDTUNED ))
Nama : Marsya Christalia LesnussaNama : Marsya Christalia Lesnussa
NRPNRP : 234: 2340504205042
Page 2
LATAR BELAKANG MASALAHLATAR BELAKANG MASALAHLATAR BELAKANG MASALAHLATAR 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 harmonisanon 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.
Page 3
PERUMUSAN MASALAHPERUMUSAN MASALAHPERUMUSAN MASALAHPERUMUSAN 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
Page 4
TUJUAN TUGAS AKHIRTUJUAN TUGAS AKHIRTUJUAN TUGAS AKHIRTUJUAN 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
Page 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 Pembahasannya dilakukan dengan simulasi
menggunakan software ETAP
Page 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 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
Page 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 fundamentalnyafrekuensi fundamentalnya
Page 8
PENGARUHPENGARUHPENGARUHPENGARUH HARMONISAHARMONISAHARMONISAHARMONISA
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 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.
Page 9
STANDART HARMONISA STANDART HARMONISA STANDART HARMONISA STANDART HARMONISA
Berdasarkan IEEE Standard 519-1992
Tabel 2.1. Current Distortion Limits untuk General Distribution
System
Maximum Harmonics Current Distortion In % IL
Individual Harmonic Order (Odd Harmonics)Individual Harmonic Order (Odd Harmonics)
Isc/ IL < 11 11=<h<17 17=<h<23 23=<h<35 35=<h THD
<20 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
>1000 15 7 6 2.5 1.4 20
Page 10
Voltage at PCC Individual Voltage Distortion
(%)
Total Harmonic Distortion THD
(%)
69 kV and below 3.0 5.0
Tabel 2.2. Voltage Distortion Limits
69 kV – 161 kV 1.5 2.5
161 kV 1.0 1.5
Page 11
FILTER PASIFFILTER PASIFFILTER PASIFFILTER 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 pasif frekuensi tunggal (Single-Tuned) maupun multi
frekuensi (Multiple-Tuned).
Page 12
KOMPONEN FILTERKOMPONEN FILTERKOMPONEN FILTERKOMPONEN FILTER
Kapasitor Untuk mencari besarnya kapasitor yang dibutuhkan adalah:
Untuk mencari tegangan kapasitor, dapat digunakan rumus
CXC
ω
1=
Untuk mencari tegangan kapasitor, dapat digunakan rumus
sebagai berikut:
Untuk mencari impedansi harmonisa ke-h, dapat
menggunakan rumus sebagai berikut:
)(hChC XIV ×=
h
XX C
hC =)(
Page 13
KOMPONEN FILTERKOMPONEN FILTERKOMPONEN FILTERKOMPONEN 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 besar induktor yang dibutuhkan adalah:
Untuk mencari impedansi induktor pada harmonisa ke-h,
dapat digunakan rumus sebagai berikut:
XL(h) = h × XL
2h
XX C
L =
Page 14
Untuk mencari arus harmonisa beban:
I harmonisa beban =kV
kVApuI h
×3)(
Page 15
PENGUMPULAN DATAPENGUMPULAN DATAPENGUMPULAN DATAPENGUMPULAN 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 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.
Page 16
Spesifikasi TransformatorTabel 3.1. SpesifikasiTransformator1
Phase 3
Frekuensi 50
kVA 2000
Volt HV 20000
LV 400
Ampere HV 57,73Ampere HV 57,73
LV 2886,75
Impedance 6%
BIL (kV) HV LI 125 AC50 / LI AC3
Order no. STK 405796
Serial no. 9630776
Year of manufacture 1996
Standard IEC-76
Type of cooling ONAN
Vector Group Dyn-5
Oil (Diala B) 1480 Liter
Page 17
Spesifikasi Transformator
Tabel 3.1. Spesifikasi Transformator 1 (sambungan)
Transformator
weight
5210 kg
HV Tap Voltage
21000
20500
20000
19500
19000
Page 18
Spesifikasi Transformator
Tabel 3.2. Spesifikasi Transformator 2
Phase 3
Frekuensi 50
kVA 1000
Volt HV 20000
LV 400LV 400
Ampere HV 28,86
LV 1443,37
Impedance 5%
BIL (kV) HV LI 125 AC50 / LI AC3
Order no. V2-460
Serial no. 231522
Year of manufacture 2002
Standard IEC-76
Page 19
Spesifikasi Transformator
Tabel 3.2. Spesifikasi Transformator 2 (sambungan)
Type of cooling ONAN
Vector Group Dyn-5
Oil (Diala B) 817 LiterOil (Diala B) 817 Liter
Transformator weight3000 kg
HV Tap Voltage
22000
21000
20000
19000
18000
Page 20
Spesifikasi Transformator
Tabel 3.3. Spesifikasi Transformator 3
Phase 3
Frekuensi 50
kVA 1250
Volt HV 20000Volt HV 20000
LV 400
Ampere HV 36
LV 1804,2
Impedance 5,5%
BIL (kV) HV LI 125 AC50 / LI AC3
Page 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
20500
20000
19500
19000
Page 22
Data Hasil PengukuranData Hasil PengukuranData Hasil PengukuranData 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 3.5. 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)
Page 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∑ Q1,2,7 = 902.24 kVAR
P = S x cos Θ
Q = S x sin Θ
∑∑
Ρ
QΘ=
Θ
Θ= tg
S
S
cos
sin
Page 24
tg Θ = 0.862
Θ = arc tg 0.862
Θ = 40.76
862.06.1046
24.902=
Θ = 40.76
Cos Θ = 0.75
Jadi faktor daya awal adalah 0.75
Sedangkan berdasarkan data dari Gambar 3.1. maka besar kVA
terpasang adalah 1391 kVA.
Page 25
Sistem Suplai Listrik P.T. Yanaprima Hastapersada
Page 26
PERENCANAAN FILTER DAN ANALISAPERENCANAAN FILTER DAN ANALISAPERENCANAAN FILTER DAN ANALISAPERENCANAAN 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 pada fasa T
1
2
2
I
I
I
k
k
n
THD
∑=
=
1
2
31
2
4
2
3
2
2
2 .....
I
IIIII DC ++++
9471.0
0041,0.....0061.00392.00086.00067.0 22222 +++++
9471.0
10169077.0
=
=
= = 33,67 %
Page 27
Perhitungan VTHD.
Berdasarkan tabel 3.7. pengukuran pada fasa T
2
2
V
V
V
k
k
n
THD
∑=
=1V
V THD =
1
2
31
2
4
2
3
2
2
2 ....
V
VVVVVDC ++++
9999.0
001,0....0021.00003.00006,0 2222 ++++
9999.0
0003189.0
=
=
= = 1,78 %
Page 28
Perhitungan Kapasitas Filter Pasif untuk Mereduksi Arus
Harmonisa yang mengalir ke Sumber Sistem Tenaga
Listrik.
Page 29
Impedansi hubung singkat saluran 20 kV ke 400V
Resistansi sumber
15.0
500
400
=
=
=
ϕCos
MVAP
VU
SC
15.0=ϕCos
3
11 10. −= ϕCosZRSCP
UZ
2
1 =
05.01015.0500
400 32
1 =××= −R
dengan:
mΩ
Page 30
Reaktansi sumber
3
11 10.
98.0
−=
=
ϕ
ϕ
SinZX
Sin
4002
31.01098.0500
400 32
1 =××= −X mΩ
Page 31
Resistansi transformator
kVAS
VU
WWC
2000
400
21000
=
=
=
3
2
2
2 10−××
=S
UWR C
84.0102000
40021000 3
2
2
2 =××
= −R
89.084.005.021 =+=+= RRRhs
mΩ
mΩ
Page 32
Reaktansi transformator:
2
2
2
22 RZX −=S
UU SC
2
100×
2
dengan: Z =
( ) 72.484.02000
400
100
6 2
22
2 =−
×=X
03.572.431.021 =+=+= XXX hs
mΩ
mΩ
03.589.0 jjXRZ hshshs +=+= mΩ
Page 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 = 1391 x (0.661 – 0.312)
Qeff = 485.459 kVAR
Page 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
Page 35
Menentukan reaktansi efektif filter (Rumus. 2.7):
eff
effQ
VX
2
=effQ
)(459.485
)(4.0 2
kVAR
kVX eff =
3295.0=effX Ω
Page 36
Menentukan reaktansi kapasitif dan reaktansi induktif
pada frekuensi fundamental (Rumus. 2.8):
effC Xh
hX ⋅
−=
12
2
)1(h
−12
3295.0186.4
86.42
2
)1( ⋅
−=CX
Ω= 3440.0)1(CX
Page 37
• Tentukan nilai kapasitor (Rumus. 2.14):
CXC
ω
1=
1mF2578.9
3440.05014.32
1=
×××=C mF
Page 38
Reaktansi induktif (Rumus. 2.18):
2
)1(
)1(h
XX
C
L =
2)1(86.4
3440.0=LX
Ω= 0145.0)1(LX
Page 39
• Tentukan nilai induktor (Rumus. 2.19):
ωLX
L =
5014.32
0145.0
××=L
= 0.0461mH
Page 40
Menentukan arus rms filter
• Tentukan arus fundamental beban:
IVS 3 ××=
AII
AI
Lfund
Total
49.19017.20079471.0
7.20074003
1391
)1( =×==
=×
=
Page 41
Tentukan arus fundamental filter (Rumus. 2.9):
)1()1(
)1(
3
LC
fXX
V
I−
=
AI f 7010145.03440.0
3400
)1( =−
=
AI 49.120070149.19011 =−=
%13.63%10049.1901
49.1200=×
Page 42
Arus orde ke-5 pada filter:
Tentukan reaktansi induktor pada harmonisa ke-5. (Rumus. 2.20):
)1()( LhL XhX ×=
Tentukan reaktansi kapasitor pada harmonisa ke-5. (Rumus. 2.16)
Ω=×=×= 0725.00145.055 )1()5( LL XX
h
XX C
hC =)(
Ω== 0688.05
3440.0)5(CX
Page 43
Nilai resistansi hubung singkat untuk orde ke-5:
Arus harmonisa beban orde ke-5
Pada hasil pengukuran (lihat tabel 3.7) diketahui bahwa
89.0)5()1( == hshs RR mΩ
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:
TotalhL III ×=
AI L 14.6127.20073049.0 =×=
Page 44
Impedansi hubung singkat pada harmonisa orde ke-5:
2
)5(
2
)5()5( )()( hshshs XRZ +=
16.25)15.25()89.0( 22
)5( =+=hsZ mΩ
Arus harmonisa orde ke-5 menuju ke filter:
)5(hs
L
CLhs
hs
f IXXZ
ZI ×
−+=
)5()5()5(
)5(
)5(
AI f 66.53314.6120688.00725.01016.25
1016.253
3
)5( =×−+×
×=
−
−
Page 45
Arus harmonisa orde ke-5 menuju ke sumber:
Perbandingan terhadap arus fundamental
)5()( fLhs III −=
AI s 48.7866.53314.612)5( =−=
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.
%127.4%10049.1901
48.78
1
5 =×=I
I
Page 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
Page 47
Berdasarkan data dari tabel 4.1.maka perhitungan arus THD
adalah sebagai berikut:
2
2
I
I
I
k
k
n
THD
∑=
=
= 12.73 %
1IITHD =
1
2
31
2
9
2
7
2
5
2
3 .....
I
IIIII ++++=
131.63
3197.0.....5536.07939.34347.44122.3 22222 +++++=
131.63
0366.8=
Page 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) (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
Page 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.
Page 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.
Page 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.
Page 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.
Page 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.
Page 54
Tabel 4.2. Rekap Hasil Simulasi Sistem di ETAP
Kondisi
ITHD
%
Standar
ITHD
%
VTHD
%
Standar
VTHD
%
Cos φ Ketetapan
Cos φ
PLN
Dengan kapasitor existing
690 kVAR91.39 20 16.62 5 0.97 > 0.85
Tanpa kapasitor 32.54 20 8.03 5 0.75 > 0.85
Dengan kapasitor existing
dan filter pasif (690 kVAR)10.65 20 2.88 5 0.98 > 0.85
Dengan filter pasif dan
kapasitor hasil perhitungan
(485.459 kVAR) (resonansi
seri)11.69 20 3.29 5 0.93 > 0.85
Dengan filter pasif dan
kapasitor hasil perhitungan
(485.459 kVAR) (resonansi
paralel)12.39 20 3.31 5 0.93 > 0.85
Page 55
PENUTUPPENUTUPPENUTUPPENUTUP
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.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.
Page 56
Terima kasihTerima kasih