Simulasi Filter Aktif Seri Sebagai Kompensasi Harmonisa Pada Sistem Saluran Tegangan Rendah

HARMONISA PADA SISTEM SALURAN

TEGANGAN RENDAH

TESIS

Oleh

SELAMAT MELIALA

087034013/TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Oleh

SELAMAT MELIALA

087034013/TE

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai Anggota : 1. Ir. Riswan Dinzi, MT

2. Ir. Ashuri, MT 3. Ir. Suprapto, MT

Pada penelitian ini merancang suatu model filter aktif seri dengan menggunakan deteksi tegangan untuk kompensasi harmonisa pada satu transformator distribusi dengan kapasitas 160 kVA. Pada perencanaan ini sistem saluran tegangan rendah listrik yaitu tegangan dan arus terdistorsi pada sisi tegangan rendah 380 volt Point of Common Coupling (PCC). Filter aktif menggunakan deteksi tegangan yang ditransformasi dari sistem abc ke sistem dq sebagai sistem kontrol. Output inverter digabungkan dengan filter LC sebagai filter untuk menghilangkan arus harmonisa urutan ketiga dan dikopling oleh transformator sehingga akan mengurangi arus harmonisa sebesar mungkin pada suplai arus. Filter aktif diletakkan pada sisi tegangan 380 volt transformator distribusi yang bertujuan untuk mengisolir harmonisa sehingga arus harmonisa tidak membebani transformator dan juga tidak mengalir ke tegangan menengah atau bus 20 kV. Dari hasil penelitian sebelum pemasangan filter aktif THDV sebesar 9,91% dan THDI pada bus 1 sebesar 30,12%. Setelah pemasangan filter aktif seri THDV bus 1 berkurang menjadi 3,35% dan THDI pada bus 1 menjadi 4,20% dan memenuhi standar IEEE 519-1992.

The purpose of this study was to design a model of serial active filter using voltage detection for harmonic compensation on a distribution transformator with the capacity of 160 kVA. In this design, low voltage power line system, a voltage and distorted current at the side of low voltage with 380 volt of PCC (Point of Common Coupling). The active filter using voltage detection transformed from abc system to dq system as control system. Output inverter is connected to LC filter as a filter to eliminate the harmonic current of third order and in the coupling by transformator so it will reduce the harmonic current of current supply as much as possible. Active filter is positioned at the side of the 380 volt distribution transformator intended to isolate the harmonic current that it does not give a burden to the transformator and does not flow either into the medium voltage or bus of 20 kV. The result of study before the installation of active filter showed that THDV was 9.91% and THD1 on bus

1 was 30.12%. After the installation of active filter, the series of THDV on bus 1

decreased to 3.35% and THD1 on bus 1 to 4.20% and they met the standard of IEEE

519-1992.

Puji syukur penulis panjatkan kepada kehadirat Allah Subhanahu Wataalla, atas rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan tesis ini. Penulisan tesis ini dilakukan untuk memenuhi salah satu syarat kurikulum Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan. Tesis ini berjudul ”Simulasi Filter Aktif Seri Sebagai Kompensasi Harmonisa Pada Sistem Saluran Tegangan Rendah”, dimana penulis merasa tertarik dengan masalah kompensasi harmonisa untuk meningkatkan kwalitas daya listrik.

Penulis mengucapkan terima kasih yang tak terhingga dan perhargaan setinggi-tingginya kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai dan Bapak Ir. Riswan Dinzi, MT sebagai Pembimbing atas segala bimbingan, saran dan nasehatnya selama penelitian dan selama penulisan tesis ini. Serta mengucapkan terima kasih juga kepada:

- Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara yang memberi kesempatan menjadi mahasiswa Program Studi Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.

peneliti sejak awal kuliah sampai selesainya penelitian untuk tesis ini. - Orang tua, istri tercinta dan anak – anak tersayang yang telah memberi banyak

dukungan, semangat dan pengorbanan waktunya.

- Staf Pengajar Teknik Elektro Universitas Malikussaleh yang telah memberi

dorongan dan kesempatan kepada saya untuk mengikuti pendidikan Magister

Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.

Harapan penulis kiranya tesis dapat bermanfaat bagi Perusahaan Listrik Negara (PLN) dan kepada yang berminat dalam meneliti masalah kwalitas daya khususnya kompensasi harmonisa. Dengan menyadari bahwa penulisan tesis ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran bersifat kontsruktif dalam rangka penyempurnaan tesis ini

Medan, Oktober 2011 Penulis,

Saya yang bertanda tangan dibawah ini,

Nama : Selamat Meliala

Tempat/Tanggal lahir : Lhokseumawe/30 Desember 1972 Jenis Kelamin : Laki – laki

Agama : Islam

Bangsa : Indonesia

Alamat : Jl. Pase No. 118 Keude Aceh Lhokseumawe

Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa:

1.Tamatan SD Negeri 3, Lhokseumawe Tahun 1985

PENDIDIKAN

2.Tamatan SMP Negeri 1, Lhokseumawe Tahun 1988 3.Tamatan SMA Negeri 1, Lhokseumawe Tahun 1991 4.Tamatan Teknik Elektro Unimal, Lhokseumawe Tahun 2001

1.Staf Pengajar pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Malikussaleh (Unimal) sejak 30 Desember 2002 sampai sekarang.

Medan, Oktober 2011 Tertanda,

Halaman

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR RIWAYAT HIDUP ... v

DAFTAR ISI ... vii

DAFTAR TABEL ... x

DAFTAR GAMBAR ... xi

DAFTAR SINGKATAN ... xv

DAFTAR LAMPIRAN ... xvii

BAB 1 PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 4

1.3 Batasan Masalah ... 5

1.4 Tujuan Penelitian ... 5

1.5 Manfaat Penelitian ... 6

1.6 Sistematika Penulisan ... 6

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 8

2.1 Filter Aktif ... 8

2.3 Teknik Modulasi Lebar Pulsa (PWM) ... 17

2.3.1 Single Pulse Width Modulation ... 17

2.3.2 Multiple Pulse Width Modulation ... 19

2.3.3 Sinusoidal PWM ... 21

2.4 Inverter Sinusoidal PWM 3 Fasa ... 22

2.5 Harmonisa Sistem ... 24

2.6 Total Distorsi Harmonisa ... 26

2.7 Resonansi ... 28

2.7.1 Resonansi Paralel ... 28

2.7.2 Resonansi Seri ... 30

2.8 Kompensasi distorsi tegangan ... 32

2.9 Transformasi Park (abc ke dq) ... 33

2.10Filter Pasif ... 35

2.11 Tegangan Injeksi ... 39

2.12Diagram satu garis sistem saluran tegangan rendah yang ditinjau ... 40

2.13 Model Matlab/Simulink untuk sistem saluran tegangan rendah dan beban non linear ... 41

BAB 3 METODE PENELITIAN ... 43

3.1 Pemodelan filter aktif seri dan sistem saluran tegangan rendah ... 43

3.2 Rangkaian Kerja Filter Aktif ... 46

3.2.1 Prinsip Kontrol Filter Aktif ... 46

3.2.2 Kerja Rangkaian Kontrol ... 46

3.3 Transformator Kopling ... 49

3.6 Teknik Pengumpulan Data ... 53

3.7 Data yang diperlukan ... 53

3.8 Perhitungan Arus Hubung Singkat Sistem ... 60

3.9 Teknik Analisis Hasil ... 61

3.10 Model Matlab/Simulink sistem saluran tegangan rendah sebelum penempatan Filter Aktif Seri ... 63

3.11 Model Matlab/Simulink sistem tegangan rendah setelah penempatan Filter Aktif Seri ... 64

BAB 4 HASIL DAN ANALISIS ... 65

4.1 Parameter Simulasi ... 66

4.2 Simulasi sebelum penempatan Filter Aktif Seri ... 67

4.3 Simulasi penempatan Filter Aktif Seri ... 73

4.4 Simulasi Filter Aktif Seri kondisi THDI dan THDV berbeda ... 78

yang 4.5 Analisis Hasil ... 82

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 86

5.1 Kesimpulan ... 86

5.2 Saran ... 86

1.1 Penelitian filter aktif yang pernah dilakukan ... 4

2.1 Aplikasi filter aktif tergantung pada permasalahan kwalitas daya ... 8

2.2 Batas distorsi harmonisa arus untuk sistem tegangan 120 V sampai 69 kV ... 27

2.3 Batas Distorsi Tegangan ... 28

3.1 Arus harmonisa perfasa beban non linear ... 56

4.1 Parameter sistem saluran tegangan rendah dan beban ... 66

4.2 Parameter filter aktif seri ... 67

4.3 Arus harmonisa (I1 filter aktif seri ... 70

) pada bus 1 sebelum pemasangan 4.4 Tegangan harmonisa (V1 filter aktif seri ... 72

) pada bus 1 sebelum pemasangan 4.5 Perbedaan THDI dan THDV non linear berbeda sebelum dan sesudah penempatan bus 1 dengan kapasitas beban filter aktif seri ... 82

4.6 Hasil perbandingan arus bus 1 sebelum dan sesudah penempatan filter aktif seri ... 83

4.7 Hasil perbandingan tegangan bus 1 sebelum dan sesudah penempatan filter aktif seri ... 83

Nomor Judul Halaman

2.1 Topologi Filter Aktif Paralel (Shunt) ... 10

2.2 Bentuk gelombang setelah dipasang filter aktif paralel, arus sumber, arus beban Non linear dan arus kompensasi ... 10

2.3 Topologi Filter Aktif Seri (Series) ... 11

2.4 Bentuk gelombang setelah dipasang filter aktif seri, tegangan suplai, tegangan beban non linear dan tegangan kompensasi ... 13

2.5 Topologi filter aktif seri satu garis ... 13

2.6 Inverter VSI (Voltage Source Inverter) ... 14

2.7 Inverter CSI (Current Source Inverter) ... 14

2.8 Rangkaian Inverter VSI 6 Pulsa 3 Fasa ... 15

2.9 Inverter 6 Pulsa konduksi 180° ... 16

2.10 Bentuk gelombang keluaran fasa tegangan Inverter 6 Pulsa konduksi 180° ... 16

2.11 Inverter 1 fasa jembatan gelombang penuh ... 18

2.12 Sinyal gating dan tegangan keluaran Inverter Single Pulse Width Modulation ... 19

2.13 Sinyal gating dan tegangan keluaran Inverter Multiple Pulse Width Modulation 1 Fasa ... 20

2.14 Sinyal gating dan tegangan keluaran Inverter Sinusoidal PWM 1 Fasa ... 22

2.15 Sinyal gating dan tegangan keluaran Inverter SPWM 3 Fasa ... 23

2.16 Gelombang harmonisa dan komponennya ... 24

2.17 Aliran daya ... 25

2.18 Aliran daya harmonisa ... 25

2.19 Sistem resonansi paralel pada Point of Common Coupling (PCC) ... 29

2.20 Resonansi seri pada sistem distribusi ... 31

tegangan rendah ... 39

2.25 Sistem saluran tegangan rendah listrik ... 41

2.26 Model Matlab/Simulink PSB sistem saluran tegangan rendah beban linear dan beban non linear ... 42

3.1 Diagram sistem saluran tegangan rendah dan filter aktif seri ... 44

3.2 Diagram satu fasa sistem saluran tegangan rendah dan filter aktif seri ... 45

3.3 Model Matlab transformasi Vabc ke Vdqo 3.4 Model Matlab invers transformasi V ... 48

abc ke Vdqo 3.5 Transformator kopling pada filter aktif seri ... 49

... 48

3.6 Model Matlab rangkaian filter ... 50

3.7 Model Matlab/Simulink PLL ... 51

3.8 Blok rangkaian kontrol ... 52

3.9 Model rangkaian kontrol Matlab/Simulink filter aktif seri ... 52

3.10 Bentuk gelombang arus beban non linear perfasa ... 55

3.11 Spektrum dan THDI 3.12 Model Matlab/Simulink sistem saluran tegangan rendah arus beban non linear perfasa ... 56

sebelum pemasngan filter aktif seri ... 63

3.13 Model Matlab/Simulink rangkaian sistem saluran tegangan rendah dan filter aktif seri ... 64

4.1 Bentuk gelombang arus pada bus 1 sebelum pemasangan filter aktif seri ... 68

4.2 Bentuk gelombang arus pada bus 1 sebelum pemasangan filter aktif seri ... 68

sebelum pemasangan filter aktif seri ... 71 4.5 Bentuk distorsi gelombang tegangan fasa netral pada

bus 1 sebelum pemasangan filter aktif seri ... 71 4.6 Spektrum tegangan fasa netral pada bus 1 sebelum

pemasangan filter aktif seri ... 71 4.7 Bentuk gelombang arus beban linear yang ikut terdistorsi

pada rel sekunder ... 73 4.8 Spektrum arus beban linear yang terdistorsi pada rel

sekunder ... 73 4.9 Bentuk gelombang kompensasi tegangan (V2

4.10 Bentuk gelombang tegangan (V

) ... 74

3

4.11 Bentuk gelombang tegangan fasa ke fasa pada bus 1 (V

) beban non linear ... 74

1

setelah pemasangan filter aktif seri ... 74 )

4.12 Bentuk gelombang tegangan fasa netral pada bus 1

setelah pemasangan filter aktif seri ... 75 4.13 Bentuk gelombang tegangan fasa netral pada bus 1

setelah pemasangan filter aktif seri ... 75 4.14 Spektrum tegangan fasa netral pada bus 1setelah

pemasangan filter aktif seri ... 76 4.15 Bentuk gelombang arus suplai (I1

pemasangan filter aktif seri ... 76 ) pada bus 1 setelah

4.16 Spektrum arus suplai (I1

filter aktif seri ... 76 ) pada bus 1 setelah pemasangan

4.17 Bentuk gelombang arus pada beban linear setelah

pemasangan filter aktif seri ... 77 4.18 Spektrum arus pada beban linear setelah pemasangan

filter aktif seri ... 77 4.19 Bentuk gelombang arus pada sisi tegangan 20 kV setelah

kapasitas 25,79 kW ... 78 4.22 Spektrum gelombang arus bus 1 beban non linear

kapasitas 25,79 kW sebelum penempatan filter aktif seri ... 79 4.23 Bentuk gelombang arus bus 1 dengan beban non linear

kapasitas 15,96 kW sebelum penempatan filter aktif seri ... 79 4.24 Spektrum gelombang arus bus 1 beban non linear

kapasitas 15,96 kW sebelum penempatan filter aktif seri ... 79 4.25 Bentuk gelombang V2

linear 25,79 kW ... 80 setelah kompensasi beban non

4.26 Bentuk gelombang V3

25,79 kW ... 80 beban non linear kapasitas

4.27 Bentuk gelombang V1

linear kapasitas 25,79 kW ... 80 fasa ke fasa pada bus 1 beban non

4.28 Bentuk gelombang V2

linear kapasitas 15,97 kW ... 81 setelah kompensasi beban non

4.29 Bentuk gelombang V3

15,97 kW ... 81 beban non linear kapasitas

4.30 Bentuk gelombang V1

linear kapasitas 15,96 kW ... 81 fasa ke fasa pada bus 1 beban non

4.31 Perbandingan arus harmonisa sebelum dan sesudah

penempatan filter aktif seri pada bus 1 ... 83 4.32 Perbandingan tegangan fasa netral urutan harmonisa

sebelum dan sesudah penempatan filter aktif seri

pada bus 1 ... 84 4.33 Perbandingan berdasarkan standar IEEE519, THDV

THD

dan

IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor ASD = Adjustable Speed Drive

PCC = Point of Common Coupling THD = Total Harmonics Distortion VSI = Voltage Source Inverter PWM = Pulse Width Modulation

PWM VSI = Pulse Width Modulation Voltage Source Inverter PWM CSI = Pulse Width Modulation Current Source Inverter VSAF = Voltage Series Active Filter

SPWM = Sinusoidal Pulse Width Modulation

MSPWM = Multiple Sinusoidal Pulse Width Modulation SAF = Series Active Filter

abc/dq = Transformasi Sistem 3 Fasa abc ke Sumbu Direct-Quadrature

dq/abc = Invers Transformasi Sumbu Direct-Quadrature ke Sistem 3 Fasa abc PSB = Power System Blockset

PLL = Phase Locked Loop FFT = Fast Fourier Transform

PowerGUI = Power Graphical User Interface

Nomor Judul Halaman A Perhitungan daya (P) beban non linear perfasa ... 92

B Hasil simulasi THDI dan THDV

Pada penelitian ini merancang suatu model filter aktif seri dengan menggunakan deteksi tegangan untuk kompensasi harmonisa pada satu transformator distribusi dengan kapasitas 160 kVA. Pada perencanaan ini sistem saluran tegangan rendah listrik yaitu tegangan dan arus terdistorsi pada sisi tegangan rendah 380 volt Point of Common Coupling (PCC). Filter aktif menggunakan deteksi tegangan yang ditransformasi dari sistem abc ke sistem dq sebagai sistem kontrol. Output inverter digabungkan dengan filter LC sebagai filter untuk menghilangkan arus harmonisa urutan ketiga dan dikopling oleh transformator sehingga akan mengurangi arus harmonisa sebesar mungkin pada suplai arus. Filter aktif diletakkan pada sisi tegangan 380 volt transformator distribusi yang bertujuan untuk mengisolir harmonisa sehingga arus harmonisa tidak membebani transformator dan juga tidak mengalir ke tegangan menengah atau bus 20 kV. Dari hasil penelitian sebelum pemasangan filter aktif THDV sebesar 9,91% dan THDI pada bus 1 sebesar 30,12%. Setelah pemasangan filter aktif seri THDV bus 1 berkurang menjadi 3,35% dan THDI pada bus 1 menjadi 4,20% dan memenuhi standar IEEE 519-1992.

The purpose of this study was to design a model of serial active filter using voltage detection for harmonic compensation on a distribution transformator with the capacity of 160 kVA. In this design, low voltage power line system, a voltage and distorted current at the side of low voltage with 380 volt of PCC (Point of Common Coupling). The active filter using voltage detection transformed from abc system to dq system as control system. Output inverter is connected to LC filter as a filter to eliminate the harmonic current of third order and in the coupling by transformator so it will reduce the harmonic current of current supply as much as possible. Active filter is positioned at the side of the 380 volt distribution transformator intended to isolate the harmonic current that it does not give a burden to the transformator and does not flow either into the medium voltage or bus of 20 kV. The result of study before the installation of active filter showed that THDV was 9.91% and THD1 on bus

1 was 30.12%. After the installation of active filter, the series of THDV on bus 1

decreased to 3.35% and THD1 on bus 1 to 4.20% and they met the standard of IEEE

519-1992.

1.1 Latar Belakang

Pada era sekarang ini, permasalahan kualitas daya pada sistem tegangan rendah banyak dibahas dalam forum-forum kelistrikan. Permasalahan kualitas daya sistem disebabkan meningkatnya penggunaan power electronic oleh konsumen listrik. Komponen power electronic tersebut seperti Dioda, Thyristor, IGBT, Mosfet sebagai perangkat switching yang banyak digunakan aplikasinya pada beban elektronik seperti: komputer, power supply, elektronik ballast, pengatur kecepatan motor listrik (ASD) pada sistem saluran tegangan rendah. Perangkat elektronik tersebut merupakan beban non linear yang menghasilkan kerusakan (distorsi) pada gelombang sinusoidal murni pada sistem distribusi [1].

Pada sistem saluran tegangan rendah, kebanyakan konsumen memakai beban elektronik yang membangkitkan urutan komponen harmonisa ganjil pada sistem tegangan satu fasa ke netral (L – N) seperti urutan harmonisa pertama yang dikatakan sebagai fundamental (1), ketiga (3), kelima (5), ketujuh (7), kesembilan (9), dan pada sistem 3 fasa pada tegangan fasa ke fasa (L – L) yaitu urutan fundamental, kelima (5), ketujuh (7), kesebelas (11) dan seterusnya.

Untuk menentukan nilai distorsi tegangan dan arus sinusoidal yaitu dengan menjumlahkan magnituda urutan komponen tegangan harmonisa atau arus harmonisa dalam root mean square (rms) kemudian dibandingkan dengan magnituda gelombang fundamental (rms).

Umumnya distorsi gelombang sinusoidal yang mengalir pada sistem dinyatakan dalam Total Distorsi Harmonisa (THD) gelombang sinusoidal yang ditimbulkan oleh beban non linear dinyatakan dalam persen. Distorsi gelombang arus dan tegangan sinusoidal dibatasi pada pendistribusian sistem tenaga listrik dari utility ke konsumen. Standar IEEE 519-1992, merekomendasikan spesifikasi batas distorsi pada Point of Common Coupling (PCC) untuk tegangan dibatasi 5% dan untuk arus 20% [2].

ditimbulkan sangat mengganggu peralatan listrik seperti transformator, circuit breaker (pemutus tenaga), rele proteksi, fuse dan lain-lain [3].

Arus harmonisa juga dapat menyebabkan overheating (panas lebih) pada konduktor netral sistem 3 fasa 4 kawat. Panas konduktor netral ini akibat komponen arus urutan nol (Iao) pada tiap-tiap fasa mengalir menuju konduktor netral [4].

Menurut pendapat Wagner et al, bahwa besar penampang konduktor netral didesain lebih kecil atau sama besar ukuran penampangnya dengan konduktor fasa sehingga penambahan panas lebih atau rugi panas (I2

Dalam penelitian untuk mengatasi masalah harmonisa pada sistem saluran tegangan rendah yang dibangkitkan oleh beban non linear yang penulis telah disebutkan di atas adalah dengan cara merancang Filter Aktif yang dipergunakan untuk mengurangi harmonisa yang mengalir menuju transformator distribusi.

R) konduktor netral melebihi batasnya [3].

Tabel 1.1 Penelitian Filter Aktif yang pernah dilakukan [5],[6],[7]

Catatan: THDV dan THDI berkurang sesuai dengan standar IEEE 519-1992, [tanda (-) di Tabel 1.1 pada nilai THDV dan THDI tidak tertera pada penelitian dan tanda bintang (*) pada THDV dan THDI setelah kompensasi]

1.2 Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah maka permasalahan harmonisa lebih dominan pada beban sisi tegangan rendah pada transformator distribusi sebagai berikut:

a. Bagaimana mengurangi THD arus yang tinggi terhadap kualitas tegangan transformator distribusi.

Peneliti Koneksi Filter

Aktif

Pengaruh Harmonisa terhadap Sumber

Suplai

THD (%) THD (%)*

Tahun

V I V I

Kazami dan Davari

Seri diantara suplai dan beban

plus filter pasif

Arus harmonisa

suplai berkurang - 27 0,73 1,19 2007

Zemerov et al

Paralel dengan suplai dan beban plus filter pasif

Polusi harmonisa dan arus suplai

berkurang menjadi

sinusoidal

- - - - 2009

Patidar dan Singh

Paralel dengan suplai dan beban

Arus harmonisa

suplai berkurang - 19,2 - 0,32 2009

Penulis Seri diantara

suplai dan beban

Diharap tegangan dan arus harmonisa suplai berkurang

b. Seberapa besar kandungan arus harmonisa yang dapat mendistorsi tegangan catu pada rel sekunder transformator yang dapat mempengaruhi beban linear konsumen lain.

c. Sejauh mana berkurang nilai THD tegangan dan arus pada bus tegangan rendah transformator distribusi 160 kVA dengan pemasangan Filter Aktif Seri.

1.3 Batasan Masalah

Filter Aktif Seri hanya dibatasi salah satu transformator distribusi berkapasitas 160 kVA tegangan 20/0.4 kV. Sedangkan THDV dan THDI

Dengan menyadari keterbatasan maka batasan penelitian ini sebagai berikut: dibangkitkan dengan menggunakan model beban non linear berupa dioda jembatan penyearah gelombang penuh (fullwave) secara individual ketiga fasa saluran [5],[8].

a. Penelitian hanya difokuskan pada pengurangan harmonisa pada terminal tegangan rendah transformator distribusi.

b. Masalah tegangan notching, tegangan kedip dan tegangan transien yang ditimbulkan tidak dibahas dalam penempatan Filter Aktif Seri.

c. Beban non linear dalam kondisi seimbang.

1.4 Tujuan Penelitian

yang dipasang seri diantara suplai, beban dan besaran THD yang disebabkan oleh beban non linear.

1.5 Manfaat Penelitian

a. Penelitian ini dapat memberikan kontribusi terhadap perkembangan sistem tenaga listrik khususnya permasalahan yang berhubungan dengan harmonisa dan kompensasinya pada saluran distribusi.

b. Penelitian ini merencanakan suatu model filter aktif seri yang diletakkan pada jaringan sistem tegangan rendah pada satu sisi saluran yang mengandung harmonisa tinggi.

c. Dengan mensimulasi model sistem saluran tegangan rendah yang mengandung harmonisa dan Filter Aktif maka para ahli tenaga listrik (engineer) dapat mengetahui pengaruh harmonisa dan pengurangan harmonisa dengan cara meletakkan suatu filter.

1.6 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan tesis adalah sebagai berikut: BAB 1 PENDAHULUAN

Berisi Latar Belakang Masalah, Perumusan Masalah, Tujuan Penelitian, Batasan Masalah, Manfaat Penelitan dan Sistematika Penulisan.

Berisi tentang topologi Filter Aktif sistem tenaga, Prinsip Inverter 6 Pulsa, Teknik Modulasi Lebar Pulsa (PWM), Harmonisa Sistem, Resonansi sistem. BAB 3 Metodelogi Penelitian

Berisi Topologi Filter Aktif seri, pemodelan filter aktif seri dan sistem saluran tegangan rendah, sistem kontrol abc/dq, data jaringan saluran dan transformator distribusi yang diperlukan sebagai pemodelan sistem tegangan rendah.

BAB 4 Hasil dan Analisis

Bab ini berisi parameter sistem distribusi dan filter aktif seri, kompensasi distorsi tegangan dan arus harmonisa pada sistem saluran distribusi tegangan rendah.

BAB 5 Kesimpulan Dan Saran

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Filter Aktif

Filter Aktif adalah suatu perangkat elektronik yang dapat memperbaiki kwalitas daya yang dikirimkan dari sumber ke beban. Filter sistem tenaga listrik biasanya terdiri dari Filter Aktif dan Filter Pasif. Menurut Izhar et al, pemakaian Filter Aktif pada sistem tenaga listrik lebih fleksibel daripada Filter Pasif karena dari segi penggunaan dan unjuk kerja (performance) Filter Aktif lebih ekonomis [9].

[image:31.612.114.533.435.708.2]

Untuk mengurangi permasalahan yang ditimbulkan oleh kwalitas daya pada sistem tenaga tergantung pada koneksi Filter Aktif yang diperlihatkan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Aplikasi filter aktif tergantung pada permasalahan kwalitas daya [1]

Koneksi Filter Aktif

Sumber Permasalahan Efek Beban terhadap Suplai

Arus Bolak Balik

Efek Suplai Arus Bolak-Balik terhadap Beban

Shunt

- Memfilter Arus Harmonisa - Kompensasi Arus Reaktif - Arus Tak Seimbang - Flicker Tegangan

-

Seri

- Memfilter Arus Harmonisa - Kompensasi Arus Reaktif - Arus Tak Seimbang - Tegangan Flicker - Tegangan tak seimbang

- Tegangan Sag/Swell - Tegangan Tak Seimbang - Distorsi Tegangan - Tegangan Notching - Tegangan Flicker

Seri – Shunt

- Filter Arus Harmonisa - Kompensasi Arus Reaktif - Arus Tak Seimbang - Tegangan Flicker - Tegangan tak seimbang

Filter Aktif biasanya menggunakan perangkat switching berupa pengatur modulasi lebar pulsa tegangan atau arus yang disebut Pulse Witdh Modulation Voltage Source Inverter (PWM VSI) atau Current Source Inverter (PWM CSI) yang

dihubungkan ke level sistem tegangan rendah dan juga tegangan tinggi tergantung pada permasalahan kwalitas daya [10].

Menurut Akagi pada dasarnya Filter Aktif dalam sistem tenaga dibagi dalam 2 topologi yaitu topologi secara paralel disebut Shunt Active Filter dan secara seri disebut Series Active Filter [11].

2.1.1 Filter Aktif Paralel (Shunt Active Filter)

Suplai

Beban Non Linear

Filter Aktif

isuplai _ibeban

ifilter

PCC

Lf

Gambar 2.1 Topologi filter aktif paralel (Shunt) [13]

Filter Aktif Paralel terdiri dari inverter, output inverter dihubung dengan L ataupun LC dipasang secara paralel dengan beban yang mengandung arus harmonisa sehingga terjadi kompensasi arus.

2.1.2 Filter Aktif Seri (Series Active Filter)

Filter Aktif Seri banyak digunakan untuk memfilter harmonisa dan memkompensasi distorsi tegangan seperti tegangan kedip, fliker tegangan dan tegangan tidak seimbang pada level sistem tegangan tinggi dan tegangan rendah. Filter aktif seri terdiri dari inverter dan keluaran (output) inverter dihubungkan dengan filter L atau LC kemudian dikopling dengan transformator. Filter Aktif Seri dihubungkan secara seri diantara suplai dengan beban seperti diperlihatkan pada Gambar 2.3 [13].

Suplai

Beban Non Linear

Filter Aktif

i

suplai

Vload

V2 Vsuplai

Vfilter

Gambar 2.3 Topologi filter aktif seri (Series) [13]

beban listrik semakin kompleks terutama penggunaan beban listrik tak linear sehingga menimbulkan terjadi perubahan distorsi bentuk gelombang tegangan dan arus. Tegangan sisi sekunder (v2

Unjuk kerja Filter Aktif Seri sangat efektif mengurangi harmonisa pada impedansi beban rendah dibandingkan dengan impedansi beban tinggi [14].

) transformator kopling adalah sebanding terhadap arus mengalir melalui transformator kopling atau disebut tahanan aktif pada frekwensi harmonisa. Arus harmonisa pada sumber akan berkurang dengan naiknya impedansi frekwensi harmonisa sumber yang disebabkan oleh tahanan aktif.

[image:36.612.163.482.460.669.2]

Gambar 2.4 Bentuk gelombang setelah dipasang filter aktif seri, tegangan suplai, tegangan beban non linear dan tegangan kompensasi [16]

2.1.3 Topologi Filter Aktif Seri

Pada penelitian merancang model Filter Aktif Seri dengan memakai inverter VSI tiga fasa seperti diperlihatkan pada Gambar 2.5 di bawah ini.

Rangkaian Kontrol

Z_F Vs

IGBT Power Elektronik Zs

PCC

INL

I_S

IF

I_NL

2.2 Prinsip Inverter VSI 6 Pulsa

Definisi secara umum dari inverter adalah peralatan elektronika daya yang berfungsi mengubah tegangan searah (DC) menjadi tegangan bolak-balik (AC). Tipe inverter ada dua jenis yaitu inverter sumber tegangan (VSI) dan inverter sumber arus (CSI). Inverter VSI seperti diperlihatkan pada Gambar 2.6 [17] dibawah ini.

a

n

Vs Cd

1 3

4 2

+

-Gambar 2.6 Inverter VSI (Voltage Source Inverter) [17]

Inverter CSI pada dc bus dilengkapi dengan Induktansi seperti diperlihatkan pada Gambar 2.7 [17].

a n Vs

1 3

4 2

+

-Gambar 2.7 Inverter CSI (Current Source Inverter) [17]

Inverter 3 fasa dapat dibentuk dengan 3 kali inverter 1 fasa terdiri dari 6 semikonduktor dengan 2 tipe sinyal kontrol yang dapat dipakai yaitu konduksi 120° atau 180°.

[image:37.612.240.403.252.344.2] [image:37.612.235.405.443.534.2]

sumber tegangan AC melalui transformator kopling. Device elektronik VSI menggunakan transistor IGBT. IGBT dianggap sebagai saklar yang berfungsi sebagai inverter dan dioda anti paralel sebagai jalur untuk pemindahan energi dari sisi AC ke

DC untuk mengisi kapasitor. Proses penyaklaran (switching) yang tepat pada inverter akan menghasilkan gelombang tegangan AC tiga fasa pada terminal tegangan keluaran inverter (Vo).

Penyaklaran inverter dapat dilakukan pada konduksi 120° atau 180°. Untuk konduksi 180° ada 3 buah saklar yang menyala pada setiap waktu, penyaklaran konduksi 180° lebih baik dan disukai daripada konduksi 120°

Pada konduksi 180° ada 6 mode operasi dalam satu siklus dengan durasi setiap mode 60° dan saklar dinomori dengan urutan penyaklarannya yaitu 123, 234, 345, 456, 561 dan 612 [17]. Pada saat peralihan cepat saklar bekerja, dan tegangan dc pada kapasitor harus dijaga konstan. Metode konduksi 180° pada inverter 6 pulsa dan bentuk gelombang keluarannya seperti diperlihatkan pada Gambar 2.8, 2.9 dan 2.10.

[17].

Tiap gate diaktifkan dengan sinyal pulsa yang dihasilkan oleh rangkaian pembangkit pulsa PWM.

+

+ _

_

C1

C2 Q1

Q4

Q3

Q6

Q5

Q2 Vs/2

Vs/2

D1

D2

D3 D5

D6 D4

A B

C 0

Vs

+

_ Vo

0 _ωt ωt ωt ωt ωt ωt ωt ωt ωt

π 2π

π 2π 2π 2π π/3 π π 2π/3 g1 g2 g3 g4 g5 g6 Vab Vbc Vca 0 0 0 0 0 0 Vs Vs Vs

Gambar 2.9 Inverter 6 Pulsa konduksi 180° [17]

ωt ωt ωt 0 0 0 2Vs/3 Vs/3 Vs/3 Vs/3 - 2Vs/3 - Vs/3 Van Vbn Vcn

π 2π _3π

[image:39.612.133.510.124.429.2]

π π 2π 2π 3π 3π

2.3 Teknik Modulasi Lebar Pulsa (PWM)

Kontrol tegangan keluaran VSI adalah dengan memanfaatkan penyaklaran (switching) frekwensi tinggi menggunakan teknik modulasi lebar pulsa (PWM) pada sumber tegangan dc yang dijaga konstan, kemudian diambil rata-rata dari bentuk gelombang keluaran untuk mendapatkan komponen fundamental tegangan yang diatur magnitudanya. Teknik PWM memberikan keuntungan di mana komponen harmonisa urutan komponen rendah berkurang sehingga akan mengurangi jumlah harmonisa dan memfilter harmonisa. Semakin tinggi rasio frekwensi switching terhadap frekwensi fundamental maka semakin berkurang komponen harmonisa yang muncul.

Ada beberapa teknik PWM yang sering digunakan sebagai berikut [17]: 1. Single Pulse Width Modulation.

2. Multiple Pulse Width Modulation. 3. Sinusoidal Pulse Width Modulation. 2.3.1 Single Pulse Width Modulation

Ac Ar

M = ….……….………...….…….…(2.1)

Dengan merubah nilai Ar dari nol hingga Ac, lebar pulsa δ dapat berubah dari 0° sampai 180° dan tegangan rms keluaran Vo bervariasi dari nol sampai Vs seperti pada Persamaan (2.2) [17] yaitu:

π δ ω π δ π δ

π Vs d t Vs

Vo =     =

∫

+ − 5 , 0 2 / ) ( 2 / ) ( 2 ) ( 2 2 ……....……….…(2.2)

Inverter satu fasa jembatan gelombang penuh yang terdiri dari dari 4 buah transistor dengan sumber tegangan Vs seperti diperlihatkan pada Gambar 2.11[17],[18]. Gambar 2.12 [17],[18] adalah sinyal gating dan tegangan keluaran Vo. Urutan penyaklaran transistor tersebut 12, 23, 34 dan 41. Komponen harmonisa yang lebih dominan muncul urutan ketiga pada tegangan keluaran Vo dibandingkan komponen urutan harmonisa lainnya.

+ + _ _ C1 C2 Q1 Q4 Q3 Q2 Vs/2 Vs/2 D1 D3 D4 a b 0 Vs + _ D2 Load

Vs -Vs Vo g1 g4 0 0 0 π π π 2π 2π 2π

ω t

ω t

ω t

ω t

e δ δ Ac Ar 2 2 δ π ₋ 2 π 2 2 δ π ₊

Gate signal for Q4

2 2 δ π ₋ 2 π 2 2 δ π ₊ 2 3π

α1 α2

Carrier signal Reference signal

Ar

Ac

[image:42.612.151.507.116.346.2]

Gate signal for transistor Q1

Gambar 2.12 Sinyal gating dan tegangan keluaran Inverter Single Pulse Width Modulation [17][18]

2.3.2 Multiple Pulse Width Modulation

2 2

f

m fo fc

p= = .……….……….. (2.3)

Di mana

fo fc

mf = didefinisikan sebagai rasio frekwensi modulasi.

ω t

2π π α1 α2 α3 α4 α5 α6 α7 α8 α9 α10 0 Ac Ar 0 0 0

ω t

ω t

ω t

αm

2

δ π

αm+ +

2π 2π 2π π π π Vs -Vs g1 g4 δ 2 δ αm+

Vo

fc 1

Carrier Signal

Refrence Signal

(a) Gate signal generation

(b) Gate signals

αm + π

[image:43.612.125.519.211.564.2]

(c) Output Voltage

Gambar 2.13 Sinyal gating dan tegangan keluaran Inverter Multiple Pulse Width Modulation 1 Fasa [17]

Bila δ dianggap lebar dari setiap pulsa maka tegangan rms keluaran Vo adalah:

πδ ω π δ π δ π p Vs t d Vs p Vo p

p  =

2.3.3 Sinusoidal PWM

Pada Sinusoidal PWM atau SPWM lebar pulsa sinyal gating dibangkitkan dengan membandingkan sinyal referensi sinusoidal terhadap sinyal segitiga pembawa frekwensi fc yang diperlihatkan pada Gambar 2.14 [17]. Teknik SPWM sangat banyak dipergunakan pada aplikasi industri. Frekwensi sinyal referensi fr menentukan frekwensi keluaran inverter fo, amplitudo sinyal referensi Ar menentukan indeks modulasi (M) yang mempengaruhi tegangan rms keluaran Vo. Jumlah pulsa untuk setiap setengah siklus tergantung pada frekwensi pembawa fc.

Harmonisa dan komponennya yang muncul pada tegangan keluaran PWM berada di sekitar penyaklaran inverter. Tegangan rms keluaran Vo dapat divariasikan dengan merubah indeks modulasi (M). Bila δm adalah lebar dari pulsa ke m, maka Persamaan (2.4) dapat dikembangkan untuk mendapatkan tegangan rms keluaran Vo yang diberikan seperti Persamaan (2.5) [17] yaitu:

5 , 0 2

1 

 



=

∑

=

p

m m

Vs Vo

π δ

ωt 0 0 0 0 g1 g4 Ac Vs v Reference Signal Vcr Vr -Vs fc 1 ωt ωt ωt π π π π 2π 2π 2π 2π ωt 0 Ac v π 2π δm αm Carrier Signal Ar Ac Ar M= (a) (b) (c) (d) Vo

Gambar 2.14 Sinyal gating dan tegangan keluaran Inverter Sinusoidal PWM 1 Fasa [17]

2.4 Inverter Sinusoidal PWM 3 Fasa

Inverter 3 fasa dapat dipertimbangkan sebagai 3 gabungan dari 3 buah

inverter 1 fasa di mana tegangan keluaran (output) masing-masing inverter 1 fasa bergeser 120°. Pembangkitan sinyal gating inverter SPWM 3 fasa yang diperlihatkan pada Gambar 2.15(a) [17]. Ada 3 sinyal referensi sinusoidal (Vra, Vrb, Vrc) yang berbeda fasa 120°. Sinyal pembawa dibandingkan dengan sinyal referensi (Vra, Vrb, Vrc) untuk menghasilkan sinyal gating. Sinyal pembawa (Vcr) dibandingkan dengan

g5 yang diperlihatkan pada Gambar 2.15(b) [17]. Tegangan keluaran sesaat Vab =

Vs(g1 – g3

Vs M

Vs M

V_abrms = × × = ×0,612× 2

3 2

) seperti diperlihatkan Gambar 2.15(c) [17]. Tegangan rms fasa - fasa (Vab) keluaran (output) inverter adalah fungsi tegangan dc bus dan indeks modulasi (M) diberikan seperti pada Persamaan (2.6) sebagai berikut [17],[18],[19]:

…..………….…. (2.6)

Daya output inverter:

Ipeak Vdc

S = × ×

2 3

.……… (2.7)

ω t

ω t

ω t

ω t

0 0

0 0

g1

g3

Ac

Vs Vab

e _{Vra Vrb Ar Vrc}

(a)

(b)

(c)

-Vs

2.5 Harmonisa Sistem

Harmonisa adalah cacat gelombang yang disebabkan oleh interaksi antara bentuk gelombang sinus sistem dengan komponen gelombang lain yaitu komponen gelombang lain yang mempunyai frekwensi kelipatan bilangan dasar dari komponen fundamentalnya. Bentuk gelombang harmonisa tersebut yang diperlihatkan pada Gambar 2.16 [20] dibawah ini.

Gambar 2.16 Gelombang harmonisa dan komponennya [20]

Pada dasarnya bentuk gelombang tegangan dan arus listrik dalam sistem tenaga merupakan gelombang sinusoidal murni. Dengan perkembangan beban listrik semakin kompleks terutama penggunaan beban listrik tak linear sehingga menimbulkan pada perubahan bentuk gelombang tegangan dan arus.

suatu jaringan listrik dengan impedansi Rs + jXs. Beban sistem ini merupakan beban

konverter yang mengontrol beban RL

th

Z

Rs + jXs

R

L

P

C1

P

L1

P

G1

P

S1 [image:48.612.203.447.151.493.2]

.

Gambar 2.17 Aliran daya [21]

th

Z

Rs +jXs

R

L

R

g

+

jX

g

P

gh

P

_sh

I

h

Plh

Gambar 2.18 Aliran daya harmonisa [21]

Aliran daya pada sistem tenaga listrik arus bolak balik AC, terdiri dari aliran daya fundamental dan aliran daya harmonisa. Konverter dianggap sebagai sumber arus harmonisa. Selama tegangan generator sinusoidal murni maka generator hanya menyuplai daya fundemental dan digambar sebagai impedansi pada frekwensi harmonisa. Sebagian daya fundamental ditransformasikan dalam bentuk daya harmonisa, adalah bentuk Psh (resistansi sistem) dan Pgh (resistansi generator) dan

2.6 Total Distorsi Harmonisa

Pada sistem tenaga listrik untuk melihat kandungan distorsi harmonisa pada komponen fundamentalnya diistilahkan dengan THD atau Total Harmonic Distortion [2],[20].

Persentase Total Distorsi Harmonisa atau Total Harmonic Distortion (THD) tegangan dan arus dirumuskan seperti pada Persamaan (2.8) dan Persamaan (2.9) sebagai berikut [2],[20]:

% 100 1 2 2 × =

∑

V V THD h h V ….……….………..…..… (2.8) Di mana: Vh V

= Komponen harmonisa tegangan ke-h

1 % 100 1 2 2 × =

∑

I I THD h h I

= Tegangan frekwensi fundamental (rms)

………….……….…...….…… (2.9)

Di mana: Ih

I

= Komponen harmonisa arus ke-h

1

Menurut Standar IEEE 519 – 1992, untuk total distorsi harmonisa atau cacat gelombang sinusoidal diperlihatkan pada Tabel 2.2 dan Tabel 2.3 sebagai berkut:

Tabel 2.2 Batas distorsi harmonisa arus untuk sistem tegangan 120 V sampai 69 kV[2] Maximun Harmonic Current Distortion in Percent of IL

ISC/I

Individual Harmonic Order (Odd Harmonic)

L

< 11 11 ≤ h ≤ 17 17 ≤ h ≤ 23 23 ≤ h ≤ 35 35 ≤ h THD (%)

< 20 4 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0

20 - 50 7 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0

50 - 100 10 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0

100 - 1000 12 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0

>1000 15 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0

THD arus harmonisa urutan genap dibatasi 25% dari harmonisa urutan ganjil diatas, Distorsi arus yang disebabkan sebuah penyearah setengah gelombang dc tidak diizinkan atau tidak termasuk pada tabel diatas.

Semua peralatan tenaga dibatasi untuk besar distorsi arus tersebut tanpa memperhatikan aktual Isc/IL

dimana:

.

ISC

I

: Maksimun arus short circuit PCC

Untuk standar pambatasan distorsi tegangan di PCC diperlihatkan pada Tabel 2.3. Tabel 2.3 Batas Distorsi Tegangan [2]

Bus Voltage at PCC Individual Voltage Distortion (%) THD (%)

69 kV and below 3,0 5,0

69,001 kV through 161 kV 1,5 2,5

161,001 kV and above 1,0 1,5

2.7 Resonansi

Efek distorsi gelombang sinusoidal pada sistem menyebabkan terjadinya resonansi, yaitu adanya kapasitor pada jaringan sistem tegangan rendah yang biasanya dipakai untuk memperbaiki power faktor dapat menimbulkan resonansi pada sistem lokal yang diikuti dengan naiknya arus yang sangat besar yang merugikan kapasitor itu sendiri. Resonansi pada sistem dibagi 2 yaitu resonansi paralel dan resonansi seri [21].

Resonansi paralel menghasilkan impedansi yang tinggi pada frekwensi resonansi. Sumber harmonisa dianggap sebagai arus yang menaikan tegangan harmonisa dan arus harmonisa yang tinggi pada setiap lengan impedansi paralel. 2.7.1 Resonansi Paralel

Sebuah resonansi paralel dapat terjadi diantara sumber dan kapasitor dengan frekwensi resonansi seperti diberikan pada Persamaan (2.10) [21] adalah:

C S S S f

fp= …….…………...…...………... (2.10)

Di mana:

f = Frekwensi fundamental (Hz) fp = Frekwensi resonansi paralel (Hz) SS

S

= Rating sumber Short Circuit (VAr)

C

Ls

PCC

C1

Sumber harmonisa

= Rating kapasitor (VAr)

Untuk menentukan kondisi resonansi yang ada diperlukan pengukuran arus harmonisa pada setiap beban konsumen dan suplai, bersama tegangan harmonisa pada busbar. Jika aliran arus yang masuk ke sistem tenaga dari busbar adalah kecil ketika

tegangan harmonisa, menandakan resonansi antara induktansi sistem kapasitor dan kapasitor beban telah terjadi.

2.7.2 Resonansi Seri

Pada resonansi seri yang diperlihatkan pada Gambar 2.20 [21], di mana pada frekwensi yang lebih tinggi beban dapat diabaikan sebagai penekan impedansi kapasitif. Pada kondisi frekwensi resonansi seri terjadi seperti diberikan pada Persamaan (2.11) sebagai berikut [21]:

  

 ₋

= 2

2

C L

T C

T

S S Z S

S f

fs ……….……..(2.11)

Di mana:

f = Frekwensi dasar (Hz) fs = Frekwensi resonansi (Hz)

ST

S

= Rating transformator (VA) L

S

= Rating beban (VA) C

Z

= Rating dari kapasitor bank (VAr) T

=

Bus

Substation

Distribusi Sumber

harmonisa

Arus harmonisa tinggi

Koreksi power faktor dari konsumen Distorsi tegangan

tinggi

Ls

Gambar 2.20 Resonansi seri pada sistem distribusi [21]

Pada kondisi resonansi seri, arus kapasitor yang tinggi dapat mengalir untuk

tegangan harmonisa yang relatif kecil.

Bank kapasitor S1 , VAr

B

eb

an

R

es

is

tif

(S

1,

VA

)

[image:54.612.139.496.103.352.2]

Transformator (S l , VA)

2.8 Kompensasi distorsi tegangan

Untuk kompensasi distorsi tegangan maka dibentuk suatu persamaan seperti pada Persamaan (2.12) sebagai berikut:

dt dI L r I V

V_i = _c + _{f f} + _f f ... (2.12)

Untuk arus inverter dan arus kapasitor filter seperti diberikan pada Persamaan (2.13) dan (2.14) sebagai berikut:

l c

f I nI

I = + ... (2.13)

dt dV C

I_c = _f c ... (2.14)

Berdasarkan Persamaan (2.12) maka dapat dibentuk suatu persamaan pengatur tegangan VSAF

      _      ₊ − = dt dI L I r n V n

V_{SAF c t t} l

l

sebagai berikut [23]:

... (2.15)

Untuk kompensasi distorsi tegangan rendah diberikan seperti Persamaan (2.16) yaitu:

3

1 V V

V = SAF + ... (2.16)

Keterangan:

i

V = Tegangan Output Inverter

c

V = Tegangan Kapasitor

f

I = Arus Filter

c

I = Arus Kapasitor

l

t L ,

t

r = Leakage Induktansi dan Winding Resistansi Transformator Injeksi

f

L ,r = Induktansi dan Resistansi Filter _f

f

C = Kapasitansi Filter n

:

1 = Rasio transformasi Transformator Injeksi

SAF

V = Tegangan Injeksi SAF (Filter Aktif Seri)

1

V = Tegangan Suplai

3

V = Tegangan Beban

Arus yang dihasilkan oleh masing-masing penyaklaran (switching) inverter adalah arus maksimun filter LC (IAF

NL F

S I I

I = +

). Dengan menggunakan hukum arus kirchoff pada sumber arus seperti pada Persamaan (2.17) sebagai berikut:

..……….……….…...…………(2.17)

Dimana:

IS

I

= Arus Sumber

F

I

= Arus Filter Aktif

NL = Arus Beban Non Linear

2.9 Transformasi Park (abc ke dq)

Tranformasi Park secara matematik biasanya digunakan pada mesin sinkron 3 fasa yaitu untuk menyerderhanakan transformasi variabel tertentu dari sistem 3 fasa abc ke sumbu dq0. Variabel tersebut biasanya berupa arus, tegangan atau fluks linkage dalam bentuk variabel aktual kumparan stator. Kuantitas baru didapatkan dari

yang disebut sumbu direct (d), dan sepanjang sumbu netral kumparan medan yang disebut sumbu quadrature atau disebut sumbu stasioner. Untuk memudahkan biasanya sumbu fasa a dianggap sebagai fasa referensi. Dan pergeseran sudut fasa referensi disebut θ.

Park transformasi (dq) adalah untuk menyederhanakan transformasi semua kuantitas stator dari sumbu abc diubah kedalam referensi variabel baru yang disebut rotor. Jika kita mempunyai 3 variabel ia, ib dan ic maka kita perlu menggunakan 3 variabel baru sehingga dengan transformasi Park menjadi 2 variabel baru yaitu variabel komponen id dan iq dan variabel komponen ketiganya atau i0

i

adalah arus stationer yang sebanding dengan arus urutan nol. Untuk ketiga phasa yang seimbang sumbu nol biasanya dianggap nol. Dibawah ini persamaan – persamaan untuk proyeksi perkalian Transformasi Park:

d = (2/3)[ia cos θ + ibcos(θ - 2π/3) + ic

i

cos (θ + 2π/3)] ... (2.18)

q = (2/3)[iasinθ + ib sin(θ - 2π/3) + ic

Perkalian sistem 3 fasa abc dengan Transformasi Park sebagai berikut:

sin (θ + 2π/3)] ... (2.19)

Piabc = idq0 Berikut transformasi i

... (2.20)

abc ke idq0

menurut Cai, seperti diberikan pada Persamaan (2.21)[24]:                                   + −       − − −       +       − =           c b a o q d i i i t t t t t t i i i 2 / 1 2 / 1 2 / 1 3 2 sin 3 2 sin sin 3 2 cos 3 2 cos cos 3

2 _{ω ω} π _ω π

Untuk transformasi invers dari bentuk idq0 ke iabc

seperti diberikan pada Persamaan (2.22) sebagai berikut [24]:

                            + −       + − −       − =           0 1 ) 3 2 sin( 3 2 cos 1 ) 3 2 sin( 3 2 cos 1 sin cos i i i t t t t t t i i i q d c b a π ω π ω π ω π ω ω ω

... (2.22)

Transformasi tegangan Vabc ke Vdq0

seperti diberikan pada Persamaan (2.23)[24]:

(

) (

)

(

) (

)

                    + − + − =           c b a o q d v v v t t t t t t v v v 2 / 1 2 / 1 2 / 1 120 cos 120 cos cos 120 sin 120 sin sin 3

2 _{0 0}

0 0 ω ω ω ω ω ω ... (2.23)

Transformasi invers Vdqo ke bentuk Vabc

seperti diberikan pada Persamaan (2.24)[24]:

(

) (

)

(

) (

)

                   + + − − =           0 0 0 0 0 1 120 cos 120 sin 1 120 cos 120 sin 1 cos sin v v v t t t t t t v v v q d c b a ω ω ω

ω ω ω ..…………....…….. (2.24)

Dengan menggunakan transformasi Park atau abc ke dq ini diperlukan untuk sistem kontrol untuk mendapat model kontrol sudut fasa dari sumber ke beban dalam kondisi closed loop.

2.10 Filter Pasif

kelima untuk menentukan kwalitas dari filter (Q). Faktor kwalitas Q menentukan ketajaman tuning ke salah satu nilai Q frekwensi rendah atau frekwensi yang tinggi.

C

L

R

Gambar 2.22 Rangkaian Single Tuned Filter

R

1

0 ₂

ω

r

ω

PB

Z

R 2

Gambar 2.23 Impedansi vs frekewensi Single Tuned Filter

Gambar 2.23 Filter Pass Band (PB) didefinisikan pembulatan frekwensi dari reaktansi filter dengan tahanannya filter sudut impedansi 45° dan besarnya impedansi

R

2 . Hubungan faktor kwalitas dan Pass Band (PB) sebagai berikut:

PB

Q=ωo ... (2.25)

Tuning filter Q didefinisikan rasio induktansi atau kapasitansi terhadap frekwensi

resonansi.

R Xo

Q= ... (2.26)

Sedangkan frekwensi resonansi menggunakan Persamaan (2.26) dibawah ini:

LC 1

2 0 =

ω …………..……….. (2.27)

dan untuk frekwensi resonansi sebagai berikut:

LC r f π 2 1

= .………..……….(2.28)

Di mana:

0 0 2 fπ ω =

L = Induktansi filter C = Kapasitansi filter fr

Besar reaktansi kapasitor adalah:

=

Frekwensi resonansi

C C Q V X 2

= ... (2.29)

Di mana: Qc = Daya reaktif (kVar) Kapasitansi dari kapasitor adalah:

C X f C 2 1 0 π

= ... (2.30)

L f

X_L =ω ₀ ...(2.31) Besar tahanan induktor adalah:

Q Xn

R= ... (2.32)

Di mana: Q = faktor kwalitas X/R. Faktor Tuning filter:

(

δL δC

)

δ

δ = ω + +

2 1

... (2.33)

Di mana: δω

δ

= Perubahan frekwensi

L

δ

= Toleransi induktor

C

Order Tuning Filter:

= Toleransi kapasitor

δ

+ =

1 hr

h_n ... (2.34)

Di mana:

hn =

hr

Urutan harmonisa

=

δ = Deviasi relatif frekwensi Resonansi harmonisa

Untuk menghitung variabel L dan C maka pertama dihitung kapasitas kapasitor menggunakan Persamaan (2.35).

{

tan(cos 1 pf₁) tan(cos 1 pf₂)

}

P

2.11 Tegangan Injeksi

Tegangan injeksi filter aktif yang dibangkitkan ke sistem saluran tegangan rendah pada rangkaian filter aktif seri maka dapat dibuat diagram satu garis seperti diperlihatkan Gambar 2.24 sebagai berikut:

Beban

Vsuplai Vload

VSAF

VSI

PL

Zs

Gambar 2.24 Diagram satu garis filter aktif seri koneksi ke sistem tegangan Zs merupakan impedansi sistem dari sistem saluran tegangan.

jXs Rs

Zs = + ……...………(2.36)

Kemudian,

VL + ZsIL = VSAF

Saat terjadi distorsi tegangan pada V

+ Vs ...……….………(2.37)

L maka tegangan fundamental terjadi turun atau naik sehingga VSAF

S L L

SAF V ZsI V

V = + −

akan menginjeksikan atau memperbaiki kekurangan tegangan pada Vs suplai sehingga Vs suplai tidak terdistorsi.

………...……...………(2.38) kemudian arus beban IL

    =

L L L

V P I

sebagai berikut:

Berdasarkan Persamaan (2.39) tersebut VL

Keterangan:

dianggap sebagai referensi tegangan distorsi.

VSAF

V

= Tegangan kompensasi filter aktif seri

1

V

= Tegangan suplai

L

I

= Tegangan beban

L

Maka daya filter aktif seri yang dihasilkan: = Arus beban

=

SAF

S VSAF x IL ...………...……… (2.40)

2.12 Diagram satu garis sistem saluran tegangan rendah yang ditinjau

Setelah dilakukan studi literatur pada jaringan distribusi maka pertimbangan penelitian ditinjau hanya pada jaringan tegangan rendah 380 V, data sekunder berupa bentuk jaringan dan transformator distribusi 160 kVA 20/0.380 kV, impedansi short circuit transformator distribusi, kabel saluran distribusi tegangan rendah. Beban ada 2

160 kVA

380 V Transformator

yang diamati distorsi Tegangan akibat arus

harmonisa

Linear Non linear

Sumber Tegangan

PCC 20 kV

[image:64.612.209.432.138.363.2]

Distorsi Tegangan

Gambar 2.25 Sistem saluran tegangan rendah

2.13 Model Matlab/Simulink untuk sistem saluran tegangan rendah dan beban non linear

Model simulasi jaringan saluran tegangan rendah dan beban non linear mempergunakan Matlab/Simulink PSB. Gambar 2.26 memperlihatkan suatu model sistem saluran tegangan rendah dengan menggunakan beban linear berupa resistor dan beban dioda berupa jembatan gelombang penuh (fullwave) secara individual pada masing - masing fasa sehingga membangkitkan arus harmonisa yang mengalir ke tegangan suplai (V1) sehingga menyebabkan distorsinya tegangan suplai (V1) pada

[image:65.612.121.525.115.642.2]

Metode penelitian dalam merancang model Filter Aktif Seri ini dengan menggunakan Software MATLAB/Simulink. Filter aktif seri dalam penelitian ini dipasangkan pada tegangan 380 volt yaitu pada sisi sekunder transformator yang mengandung arus harmonisa dengan THD arus yang tinggi. Filter ini juga mengurangi harmonisa yang masuk ke sisi tegangan catu 20 kV.

Gambar 3.1 memperlihatkan suatu model sistem tegangan rendah tiga fasa tegangan 380 volt, frekwensi 50 Hz, untuk memsimulasikan model tersebut menggunakan program PSB Matlab/Simulink. Pada Gambar 3.1, sistem saluran tegangan 380 V dianggap sebagai PCC tegangan rendah yang terganggu (terdistorsi) oleh beban non linear yang berupa dioda penyearah. Saluran bus tegangan rendah 380 V dapat diwakili dengan rangkaian impedansi saluran R dan L, di mana parameter saluran tergantung pada panjang dan diameter saluran menurut Zemerov et al [5].

3.1 Pemodelan Filter Aktif Seri dan sistem saluran tegangan rendah

20 kV 380 V

DC

Cdc

Rangkaian Kontrol V1suplai

V2inverter

Trafo Injeksi

IGBT Bridge

V3beban

V1suplai ₃

u

v

w

Beban Penyearah

Sumber 3 Fasa

Gate drive

Lf

Cf R

S

T

N

VSAF

Vbeban Ic

I_c

N Beban Linear

Transformator

[image:67.612.155.517.118.559.2]

Gambar 3.1 Diagram sistem saluran tegangan rendah dan filter aktif seri Pemodelan sistem saluran tegangan rendah yang akan dilakukan seperti pada Gambar 3.1 adalah sebagai berikut:

penelitian yang dilakukan oleh Zemerov et al, Zadeh dan Farjah [5],[8]. Blok sistem beban terdiri dari jembatan dioda, kapasitor dan resistor sebagai simulator untuk mangatur THD tegangan dan arus gelombang sinusoidal pada sistem.

b. Model beban linear terdiri elemen R dan L

c. Model impedansi jaringan terdiri elemen R dan L.

d. Model Transformator kopling (injeksi) tegangan kompensasi diserikan pada transformator distribusi ke beban.

e. Model Transformasi abc ke dq

f. Pemodelan lain adalah inverter yang terdiri dari 6 unit IGBT dalam satu blok IGBT Simulink dan output inverter ditambahkan dengan Filter LC.

Untuk membentuk rangkaian kontrol pada Gambar 3.1 maka dibuat gambar blok diagram satu fasa seperti diperlihatkan pada Gambar 3.2.

Inverter

Rangkaian Kontrol

Zs

Cf Lf

Zt VSAF/ n

1 : n VSAF

I_c Vc

Vi

DC VSAF

3 V _beban V_1suplai

I_c

Beban Non Linear Sumber

IF

Cdc nIl

V1

[image:68.612.146.490.473.677.2]

V2 V3

Untuk tegangan output inverter Vi berdasarkan Gambar 3.2 seperti yang diberikan pada Persamaan (2.12) pada Bab 2.

3.2 Rangkaian Kerja Filter Aktif 3.2.1 Prinsip Kontrol Filter Aktif

Filter aktif terdiri dari dari 6 buah IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) yang digerakkan oleh rangkaian kontrol. Tegangan beban yang mengandung harmonisa mula-mula dideteksi dan diolah oleh rangkaian kontrol. Rangkaian kontrol akan membangkitkan gelombang PWM untuk mengkompensasi tegangan harmonisa yang ada di saluran bus 380 Volt. Proses pengontrolan sinyal ditransformasikan dari abc ke dq (Transformasi Park) yang digabungkan dengan filter LC [24].

Rangkaian kontrol memberikan sinyal penggerak ke gate inverter IGBT sehingga membangkitkan arus-arus harmonisa, selanjutnya arus harmonisa dari inverter (filter aktif) akan saling menghilangkan dengan arus harmonisa beban non

linear sehingga akan berkurang harmonisa pada arus suplai.

3.2.2 Kerja Rangkaian Kontrol

menggunakan PI kontroler dan ditambah dengan sinyal umpan balik tegangan V2dq dan arus Ic

Rangkaian kontrol filter aktif yang akan digunakan pada penelitian ini adalah seperti diperlihatkan Gambar 3.9. Tegangan dari sistem tegangan rendah terdiri dari dari sistem filter aktif diteruskan sebagai sinyal referensi ke blok Pulse Width Modulation (PWM) generator.

PCC

V sebagai tegangan rendah dari Point of Common Coupling (PCC) dari sisi sekunder transformator, V1abc sebagai tegangan suplai sekunder transformator distribusi, V3abc sebagai tegangan sisi beban dan dari sistem filter yaitu tegangan injeksi VSAF atau V2abc. Di dalam penentuan pengurangan nilai THD arus dan tegangan pada PCC tegangan rendah dari sistem 3 fasa yang nantinya akan menentukan tegangan injeksi filter aktif seri, maka digunakan metode space vector control yang merubah sistem tegangan 3 dimensi abc menjadi sistem 2 dimensi dq (direct-quadrature). Ada beberapa alasan yang mendasari digunakannya sistem tegangan dq, yaitu yang paling utama adalah mempermudah di dalam melakukan pengontrolan, transformasi abc ke dq merubah sistem 3 fasa menjadi dua fasa sehingga variabel yang diatur hanya ada dua, pengaturan salah satu variabel memberikan perubahan yang sama pada arus 3 fasa. Untuk model transformasi Vabc

ke Vdq0 dan invers Vdq0 ke Vabc dalam bentuk blok Matlab/Simulink seperti

[image:71.612.121.526.437.669.2]

Gambar 3.3 Model Matlab transformasi Vabc ke V

Model invers transformasi V

dq0

dq0 ke Vabc sebagai berikut:

3.3 Transformator Kopling

[image:72.612.112.525.295.522.2]

Transformator kopling adalah transformator untuk menginjeksi tegangan yang terdistorsi ke sistem saluran tegangan rendah yang disebabkan arus beban yang tidak linear. Transformator kopling diserikan diantara tegangan suplai dan beban yang diperlihatkan seperti pada Gambar 3.5. Untuk menghitung kapasitas daya transformator kopling dapat dihitung daya maksimun yang dihasilkan inverter seperti Persamaan (2.6).

Gambar 3.5 Transformator kopling pada filter aktif seri

3.4 Filter Output Inverter

inverter. Rangkaian filter ini juga disebut filter output inverter yang diperlihatkan

[image:73.612.117.527.190.418.2]

seperti Gambar 3.6 sebagai berikut:

Gambar 3.6 Model Matlab rangkaian filter

3.5 Sistem Kontrol Phase Locked Loop (PLL)

crossing) yang ada pada blok kontrol dari transformasi abc/dq dan transformasi balik dq/abc.

Blok rangkaian kontrol Gambar 3.7 menerangkan bahwa saat terjadi distorsi tegangan beban sebagai referensi masukan maka nilai masukan sesaat ditransformasi ke sistem abc/dq untuk penjumlahan sinyal dc sehingga mengeluarkan sinyal dc dan menghasilkan nilai error, nilai error tersebut dimasukkan ke PI untuk penguatan sinyal dc.

Gambar 3.7 Model Matlab/Simulink PLL

Proses pengontrolan sinyal dc tersebut seperti diperlihatkan pada Gambar 3.8 yang selanjutnya nilai masukan semua blok diubah ke transformasi abc/dq menghasilkan sinyal output VSAF kemudian ditransformasikan balik ke dq/abc sehingga sinyal outputnya dalam bentuk arus bolak balik yang diatur menggunakan PLL sebagai sinkronisasi urutan fundamental kemudian dimasukkan ke blok PWM

Blok kontrol kerja sistem abc/dq yang diuraikan di atas seperti yang diperlihatkan pada Gambar 3.8 dan Gambar 3.9.

V3dq referensi

iAFa

iAFb

iAFc

V

PWM Generator

abc

+ _ PI

abc

dq

V3abc V1abc

+_

cos sin

t

ω

t

ω

+

abc

dq Icabc

PI

dq abc

+

PLL ωt

ke gate IGBT

+ _ abc

dq

+ _

abc

dq Vsaf

[image:75.612.117.525.453.676.2]

Gambar 3.8 Blok rangkaian kontrol

Nilai input tegangan dan arus blok kontrol dalam bentuk 1 per unit, ini untuk memudahkan dalam mensimulasikan model kontrol.

3.6 Teknik Pengumpulan Data

Dalam perencanaan simulasi model sistem saluran tegangan rendah untuk data impedansi Short Circuit dan Arus beban nol (Inol) Transformator Distribusi diambil

pada data spesifikasi teknikal transformator distribusi, data transformator satu fasa dari internet, topologi model beban non linear dari sumber jurnal IEEE dan informasi impedansi kabel.

3.7 Data yang diperlukan

Untuk keperluan data dalam menyelesaikan penelitian ini, akan dilakukan pengumpulan data sekunder seperti berikut:

Data sekunder didapat dengan cara mengumpulkan data transformator dan jaringan saluran tegangan rendah dari perusahaan listrik negara melalui wawancara, studi literatur (tesis, buku teks, standar dan jurnal dari IEEE) dan informasi pendukung lainnya dari internet.

Data