ANALISIS PENGGUNAAN DSTATCOM UNTUK MENGURANGI FLUKTUASI TEGANGAN YANG DISEBABKAN
OLEH TANUR BUSUR LISTRIK AC
TESIS
Oleh:
TJAN SAUT 087034011/MTE
PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
ANALISIS PENGGUNAAN DSTATCOM UNTUK MENGURANGI FLUKTUASI TEGANGAN YANG DISEBABKAN
OLEH TANUR BUSUR LISTRIK AC
TESIS
Untuk memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
Oleh: TJAN SAUT 087034011/MTE
PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2010
J N N P ( T Judul Tesis Nama Mah Nomor Pok Program St (Prof. Dr. Ir K Ketua Pr (Prof. Dr. I Telah Lulus : A M D asiswa : kok : tudi : r. Usman B Ketua rogram Stu Ir. Usman B s : 20 Septem ANALISIS MENGURA DISEBABK Tjan Saut 087034011 Teknik Elek Me Komisi P aafai) di, Baafai) mber 2010 PENGGU ANGI FLU KAN OLEH ktro nyetujui Pembimbin (P UNAAN DS UKTUASI T H TANUR B ng (Ir. Refdin Prof. Dr. Ir. STATCOM TEGANGAN BUSUR LIST nal Nazir, M Anggota Dekan, . Bustami Sy M UNTUK N YANG TRIK AC MS. Ph.D.) yam, MSME E)
Telah Diuji Pada
Tanggal : 20 September 2010
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua : Prof. Dr. Ir. Usman Baafai
Anggota : 1. Ir. Refdinal Nazir, MS. Ph.D. 2. Ir. Riswan Dinzi, MT
3. Ir. Ashuri, MT
4. Dr. Ing. Paulus Suwanto S.
ABSTRAK
EAF (Electric Arc Furnace) adalah beban non-linear dengan perubahan beban yang cepat menyebabkan fluktuasi tegangan dan flicker bila terhubung pada sistem kelistrikan yang lemah. Harmonisa pada EAF disebabkan oleh karakteristik tegangan-arus yang sangat non-linear dari busur listrik pada setiap siklus daya, sedangkan fluktuasi tegangan disebabkan oleh perubahan panjang busur listrik selama peleburan.
Flicker adalah fluktuasi tegangan dengan perubahan amplitudo tegangan lebih dari
0.5% pada rentang frekuensi 3 ÷ 10Hz, khususnya pada cahaya lampu pijar menyebabkan ketidaknyamanan pada penglihatan dan memberikan efek psikologis terhadap manusia.
Pergeseran fasa antara tegangan dan arus yang disebabkan oleh induktansi transformator tanur dan induktansi kabel mengakibatkan munculnya komponen reaktif induktif yang menjadi beban pada sistem sehingga menyebabkan tegangan sumber jatuh dan berfluktuasi karena perubahan beban yang cepat. DSTATCOM merupakan peranti FACTS berbasis VSC dengan kapasitor pada sisi dc secara dinamis mampu untuk membangkitkan ataupun menyerap daya reaktif pada sistem ac untuk meningkatkan kestabilan tegangan.
Dengan memakai standar Eropa CENELEC EN 50160, estimasi nilai flicker untuk pengoperasian EAF no.1 di PT. Growth Sumatra Industry adalah Pst95%=3.9 s/d 6.7 yang telah melampaui batas emisi flicker PstLimit=0.79 [ENRE 99/97]. Kompensator DSTATCOM dirancang dengan daya nominal +/-12MVAR untuk dipasangkan pada
steelwork busbar EAF no.1 dan dimodelkan untuk disimulasikan memanfaatkan
program Matlab/Simulink Power System Blockset (PSB). Dengan kriteria untuk mengevaluasi %Flicker = ΔV /Vbase x100% , fluktuasi amplitudo tegangan pada PCC sebesar +/-1.89% dapat dikurangi menjadi +/-0.12%.
iii
ABSTRACT
EAF (Electric Arc Furnace) is a non-linear load with rapid change of load causes voltage fluctuations and flicker when connected to a weak electrical system. Harmonics on the EAF is caused by the voltage-current characteristic is very nonlinear from electric arc in each power cycle, whereas the voltage fluctuations caused by electrical arc length change during smelting. Flicker is a voltage fluctuation with changes in voltage amplitude of more than 0.5% in the frequency range 3 ÷ 10 Hz, especially in the light of incandescent lamp cause discomfort to the vision and provide a psychological effect on humans.
Phase shift between voltage and current caused by the furnace transformer inductance and cable inductance resulted in an inductive reactive component which becomes the load on the system causing the voltage source falls and fluctuates due to rapid load changes. DSTATCOM, a VSC-based FACTS devices with capacitors on the dc side are dynamically able to generate or absorb reactive power at the ac system to improve voltage stability.
By using the European standard CENELEC EN 50160, the estimated flicker value for the operation of the EAF no.1 in PT. Growth Sumatra Industry is Pst95%=3.9 ÷ 6.7
which has exceeded the flicker limit PstLimit=0.79 [ENRE 99/97]. DSTATCOM is
designed with a nominal power of +/- 12 MVAR to be installed on the steelwork busbar EAF no.1 and modeled for the simulated use of Matlab / Simulink Power System Blockset (PSB). With the criteria for evaluating %Flicker =
% 100
/V x
V base
Δ , fluctuation of voltage amplitude at the PCC of +/-1.89% can be reduced to +/-0.12%.
Key words : Reactive Power, DSTATCOM, EAF, Flicker, Voltage Fluctuation
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa, atas berkat dan karuniaNya hingga penulisan tesis ini dapat selesai. Penulisan tesis ini dilakukan untuk memenuhi salah satu syarat kurikulum Program Studi Magister Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan. Tesis ini berjudul “Analisis Penggunaan DSTATCOM Untuk Mengurangi Fluktuasi Tegangan Yang
Disebabkan Oleh Tanur Busur Listrik AC”, di mana penulis merasa tertarik
dengan masalah kompensasi daya reaktif untuk meningkatkan kualitas daya listrik. Penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai dan Bapak Ir. Refdinal Nazir, MS. Ph.D. sebagai Pembimbing atas segala saran, bimbingan dan nasehatnya selama penelitian berlangsung dan selama penulisan tesis ini.
Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan banyak terima kasih kepada Pimpinan perusahaan PT. Growth Sumatra Industry, Medan yang telah memberikan kesempatan untuk dapat melakukan penelitian.
Terimakasih juga disampaikan kepada Bapak Prof. Dr. dr. Syahril Pasaribu, DTM&H, M.Sc (CTM), Sp.A(K), selaku Rektor Universitas Sumatera Utara atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada kami untuk mengikuti dan menyelesaikan pendidikan Program Magister, dan kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Bustami Syam, MSME selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
v
yang memberikan kesempatan menjadi mahasiswa Program Studi Magister Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.
Terselesaikannya penelitian tesis ini juga melibatkan berbagai pihak yaitu Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai selaku Ketua Program Studi atas upaya dan usahanya menyukseskan Program Studi Magister Teknik Elektro, Sekretaris dan Sekretariat Program Studi Magister Teknik Elektro, serta seluruh staf pengajar Program Studi Magister Teknik Elektro. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih atas kontribusi dan bantuannya.
Penulis juga menyampaikan terimakasih atas dukungan orang tua, istri tercinta dan anak-anak tersayang yang telah banyak memberikan dorongan bathin dan mengorbankan waktunya.
Harapan penulis kiranya tesis ini dapat bermanfaat bagi PT. Growth Sumatra
Industry dan kepada yang berminat dalam meneliti masalah kompensasi daya reaktif
pada pengoperasian EAF khususnya berbasis FACTS. Kritik dan saran dari pembaca untuk penyempurnaan tesis ini akan sangat dihargai.
Medan, September 2010 Penulis,
Tjan Saut
DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK ... ...ii ABSTRACT ... iii KATA PENGANTAR ... iv DAFTAR ISI ... vi DAFTAR TABEL ... ix DAFTAR GAMBAR ... x
DAFTAR LAMPIRAN ... xiiiiii
BAB 1. PENDAHULUAN ... ..1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 3 1.3 Batasan Masalah ... 4 1.4 Tujuan Penelitian ... 5 1.5 Kegunaan Penelitian... 5 1.6 Sistematika Penulisan ... 6
BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ... 7
2.1 Prinsip Pengoperasian EAF (Electric Arc Furnace) ... 7
2.2 Karakteristik EAF ... 10
2.3 Fluktuasi Tegangan dan Flicker ... 22
vii
2.5 Komponen DSTATCOM ... 30
2.6 VSC 6 Pulsa ... 30
2.7 Teknik Modulasi Lebar Pulsa (PWM) ... 33
2.7.1 Single-pulse-width modulation ... 33
2.7.2 Multiple-pulse-width modulation ... 35
2.7.3 Sinusoidal PWM (SPWM) ... 37
2.7.4 Modified SPWM (MSPWM) ... 39
2.8 Inverter SPWM 3 Fasa ... 40
2.9 Diagram Satu Garis Sistem Tenaga EAF & DSTATCOM ... 41
2.10 Model Matlab/Simulink PSB Untuk Sistem Distribusi Utiliti dan EAF.41 BAB 3. SISTEM KELISTRIKAN PT. GROWTH SUMATRA INDUSTRY ... 46
3.1 Sistem Kelistrikan PT. Growth Sumatra Industry ... 46
3.2 Kompensasi Daya Reaktif Untuk Mengurangi Fluktuasi Tegangan... 48
BAB 4. METODOLOGI PENELITIAN ... 50
4.1 Teknik Pengumpulan Data ... 50
4.2 Teknik Analisis Data ... 51
4.3 Pengujian Kualitas Data ... 54
4.4 Pengumpulan Data dan Perhitungan Kapasitas Hubung Singkat ... 54
4.4.1 Pengujian Hubung Singkat EAF no.1 ... 56
4.5 Karakteristik Pengoperasian EAF Secara Teoritis Berdasarkan Hasil Pengujian Hubung Singkat ... 58
4.6 Estimasi Nilai Flicker ... 61
4.7 Propagasi Flicker dan Rasio Perbaikan Flicker ... 62
4.8 Memperkirakan Daya Nominal DSTATCOM Untuk Pemasangan Pada Bus B3 (steelwork busbar)... 63
4.9 Pemodelan DSTATCOM Dengan Matlab/Simulink PSB ... 63
BAB 5. HASIL PENELITIAN ... 69
5.1 Data Hasil Perhitungan dan Pengujian Hubung Singkat... 69
5.2 Pengukuran Data Listrik di bus B3 (steelwork busbar) Untuk 1 Siklus
Peleburan ... 70
5.3 Pelaksanaan Pengujian Simulasi Model DSTATCOM dan EAF ... 74
5.4 Simulasi Respons Dinamis DSTATCOM ... 75
5.5 Simulasi Mengurangi Fluktuasi Tegangan dan Flicker ... 79
5.5.1 DSTATCOM Mengambang ... 80
5.5.2 DSTATCOM Beroperasi ... 82
5.6 Ringkasan Pengujian DSTATCOM +/-12MVAR ... 85
5.7 Analisa Hasil ... 89
BAB 6. KESIMPULAN DAN SARAN ... 91
6.1 Kesimpulan ... 91
6.2 Saran ... 92
ix
DAFTAR TABEL
No. Judul Halaman
1.1 Perbedaan kapasitas EAF dan sistem kelistrikan yang telah dilakukan
Issouribehere, P.E. et al, 2005 dan oleh penulis... 2
2.1 Tipikal tegangan harmonik pada perioda melebur dan refining... 11
2.2 Statistik hasil pengukuran flicker dari Gambar 2.13... 24
2.3 Batas emisi flicker [ENRE 99/97]... 25
4.1 Kapasitas hubung singkat Gardu Induk Mabar, data transformator dan impedansi sistem ... 54
5.1 Impedansi dan kapasitas hubung singkat sistem kelistrikan EAF no.1... 69
5.2 Data hasil pengujian hubung singkat EAF no.1 ... 69
5.3 Perbandingan hasil perhitungan teoritis reaktansi X1 dan kapasitas hubung singkat bus B3 (steelwork busbar) dengan hasil pengujian... 69
5.4 Propagasi flicker dari bus B3 (steelwork busbar) ke PCC dan TT... 70
5.5 Rasio perbaikan flicker (FI) pada bus B3 (steelwork busbar)... 70
5.6 Setting untuk pengamatan respons dinamis DSTATCOM... 76
5.7 Hasil simulasi DSTATCOM +/-12MVAR mengambang... 80
5.8 Hasil simulasi DSTATCOM +/-12MVAR beroperasi... 83
5.9 Ringkasan pengujian respons dinamis DSTATCOM +/-12MVAR... 86
5.10 Ringkasan pengujian DSTATCOM +/-12MVAR mengambang... 87
5.11 Ringkasan pengujian DSTATCOM +/-12MVAR beroperasi... 88
DAFTAR GAMBAR
No. Judul Halaman
2.1 Penampang EAF... 7
2.2 EAF yang sedang beroperasi (perioda mengebor dan melebur)... 8
2.3 EAF yang sedang beroperasi (perioda refining)... 9
2.4 Tipikal level daya dan tahapan perioda untuk 1siklus peleburan... 11
2.5 Karakteristik tegangan–arus (V-I) dari EAF... 13
2.6 Aktual karakteristik dan model linear tegangan-arus dari EAF untuk 1 siklus daya... 16
2.7 Rangkaian ekivalen satu fasa EAF untuk memperkirakan karakteristik EAF 18 2.8 SCVD sebagai fungsi dari daya MWmax nominal EAF... 19
2.9 Karakteristik pengoperasian EAF kapasitas 8Ton, 2.5MW... 21
2.10 Karakteristik pengoperasian EAF kapasitas 8Ton, 2.5MW secara teoritis dan hasil pengukuran di lapangan... 21
2.11 Flicker dengan frekuensi 9Hz bermodulasi pada frekuensi fundamental... 22
2.12 Maksimum fluktuasi tegangan yang diizinkan [IEEE 519-1992]... 23
2.13 Hasil pengukuran flicker Pst selama satu minggu pada steelwork busbar EAF 8Ton, 2.5MW... 24
2.14 Perubahan daya reaktif dan fluktuasi tegangan yang ditimbulkan... 25
2.15 Tipikal karakteristik V-I dan V-Q dari DSTATCOM... 27
2.16 Diagram satu garis DSTATCOM untuk pembangkitan daya reaktif... 28
xi
2.18 Rangkaian dasar VSC (Voltage Source Converter)... 30
2.19 Rangkaian VSC 6 pulsa... 31
2.20 Inverter 6 pulsa konduksi 180o... 32
2.21 Bentuk gelombang tegangan fasa keluaran inverter 6 pulsa konduksi 180o.. 32
2.22 Inverter 1 fasa jembatan penuh... 34
2.23 Sinyal gating dan tegangan keluaran inverter single-pulse-width modulation 1 fasa... 35
2.24 Sinyal gating dan tegangan keluaran inverter multiple-pulse-width modulation (UPWM) 1 fasa... 36
2.25 Sinyal gating dan tegangan keluaran inverter SPWM 1 fasa... 38
2.26 Sinyal gating inverter MSPWM 1 fasa... 39
2.27 Sinyal gating dan tegangan keluaran inverter SPWM 3 fasa... 40
2.28 Diagram satu garis DSTATCOM dan EAF... 41
2.29 Model Matlab/Simulink PSB sistem distribusi untuk utiliti dan EAF... 42
2.30 Blok diagram pengatur DSTATCOM... 45
3.1 Diagram satu garis sistem kelistrikan PT. Growth Sumatra Industry, Januari 2010... 46
4.1 Sistem kelistrikan EAF1 untuk pengukuran lapangan... 51
4.2 Diagram alir untuk menentukan daya nominal DSTATCOM... 53
4.3 Konfigurasi sistem kelistrikan EAF no.1 PT. Growth Sumatra Industry... 55
4.4 Rangkaian ekivalen satu fasa EAF dengan nilai X1 dan X2 hasil pengujian hubung singkat... 59
4.5 Karakteristik pengoperasian EAF secara teoritis... 61
4.6 Rancangan model Matlab/Simulink PSB pengoperasian DSTATCOM dan
EAF... 66
4.7 Model rangkaian jembatan ganda IGBT dan transformator kopling pada blok DSTATCOM... 67
4.8 Model pengatur DSTATCOM... 68
5.1 Daya 1 siklus peleburan hasil pengukuran lapangan ... 70
5.2 Arus primer 1 siklus peleburan hasil pengukuran lapangan... 71
5.3 Tegangan primer 1 siklus peleburan hasil pengukuran lapangan... 71
5.4 Faktor daya 1 siklus peleburan hasil pengukuran lapangan ... 72
5.5 Karakteristik P-S perioda mengebor (aktual & teoritis) ... 72
5.6 Karakteristik P-S perioda melebur (aktual & teoritis) ... 73
5.7 Karakteristik P-S perioda refining (aktual & teoritis) ... 73
5.8a Hasil simulasi respons dinamis DSTATCOM +/-12MVAR (Scope1)... 77
5.8b Hasil simulasi respons dinamis DSTATCOM +/-12MVAR (Scope2)... 78
5.8c Hasil simulasi respons dinamis DSTATCOM +/-12MVAR (Scope3)... 79
5.9a Hasil simulasi DSTATCOM +/-12MVAR mengambang (Scope1)... 80
5.9b Hasil simulasi DSTATCOM +/-12MVAR mengambang (Scope2)... 81
5.9c Hasil simulasi DSTATCOM +/-12MVAR mengambang (Scope3)... 82
5.10a Hasil simulasi DSTATCOM +/-12MVAR beroperasi (Scope1)... 83
5.10b Hasil simulasi DSTATCOM +/-12MVAR beroperasi (Scope2)... 84
5.10c Hasil simulasi DSTATCOM +/-12MVAR beroperasi (Scope3)... 85
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
No. Judul Halaman
A Perhitungan Impedansi dan Kapasitas Hubung Singkat... 96
B Transfer Daya di Antara Sumber Aktif... 98
C Prinsip Dasar Pengoperasian VSC (Voltage Source Converter)... 100
D Transformasi abc_dq0... 102
