Abstrak— PT. Semen Indonesia adalah salah satu perusahaan dalam negeri yang memiliki banyak pabrik di daerah yang berbeda. Salah satunya pabrik yang akan dibuat di Rembang, Jawa Tengah. Sebagai pabrik semen terbesar di Indonesia, PT Semen Indonesia harus memiliki target dalam jumlah produksi per-harinya. Salah satu cara untuk mengendalikan adalah dengan mengendalikan kecepatan putar motor yaitu menggunakan VSD (Variable Speed Drive). Namun untuk penggunaan VSD yang didalamnya terdapat komponen non linier, hal ini dapat menimbulkan masalah harmonisa. Sehubungan dalam hal tersebut, untuk mencegah rusaknya peralatan seperti trafo dan kabel, perlu dilakukan studi perencanaan pemasangan filter hybrid untuk mengurangi harmonisa yang timbul di PT.Semen Indonesia. Pada tugas akhir ini difokuskan pada pemodelan filter aktif dan pasif yang dilakukan pada software Powersim dan ETAP 7.50.
Kata Kunci—Harmonisa, Filter Aktif, Filter Pasif
I. PENDAHULUAN
ermasalahan kualitas daya atau power quality sudah menjadi permasalahan yang cukup diperhatikan dalam sistem kelistrikan. Salah satu yang cukup fenomenal adalah harmonisa. Adanya beban non linear menjadi sumber distorsi yang dapat merusak gelombang fundamental yang ada. Dalam aplikasinya, pemasangan VSD (Variable Speed Drives) selain menguntungkan namun juga bisa jadi merugikan. Secara teori VSD mengandung komponen non linier didalamnya, dimana hal ini menjadi salah satu penyebab harmonisa. Masalah ini terkadang sering dianggap remeh dalam suatu unit namun jika dibiarkan akan mengakibatkan rusaknya peralatan termasuk trafo dan kabel.
PT. Semen Indonesia merupakan badan usaha milik Negara yang membawahi pabrik semen berkualitas tinggi di Indonesia. Perusahaan ini cukup aktif berproduksi karena selain memenuhi pasar dalam negeri juga diekspor keluar negeri. Diperlukan kontinuitas yang tinggi dalam unit ini, maka dari itu dibutuhkan VSD untuk mengatur kecepatan motor yang disesuaikan oleh jumlah produksi yang diinginkan. VSD merupakan salah satu sumber harmonisa. Dengan banyaknya sumber harmonisa sehingga diperlukan pemasangan filter untuk meredam harmonisa.
II. HARMONISA A. Faktor Daya dan Perbaikannya
Faktor daya merupakan perbandingan antara daya aktif dan daya total. Komponen daya aktif umumnya konstan sedangkan komponen KVA dan KVAR berubah sesuai dengan faktor daya. Rating kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki faktor daya dapat dituliskan sebagai berikut:
(1) B. Pengertian Harmonisa
Idealnya dalam sistem tenaga listrik gelombang yang disalurkan bersifat sinus murni. Namun kenyataannya dalam dunia kelistrikan selalu terdapat distorsi yang dapat mengganggu frekuensi fundamental. Di Indonesia pembangkitan listrik menggunakan frekuensi 50 Hz. Penggunaan beban-beban non linear menyebabkan gelombang sinusoidal terdistorsi.
Definisi dari harmonisa sistem tenaga adalah komponen sinusoidal tegangan dan arus yang mempunyai frekuensi kelipatan bilangan bulat (integer) dari frekuensi dasar pada kondisi steady state. Maka kesimpulannya bahwa harmonisa ke-n merupakan kelipatan n dari frekuensi fundamental. C. Sumber Harmonisa
Pada sistem tenaga listrik, harmonisa dapat disebabkan oleh beberapa peralatan, namun pada PT. Semen Indonesia sumber harmonisa berupa VSD (Variable Speed Drive). Cara kerja dari VSD sendiri adalah tegangan AC yang masuk dari frekuensi 50 Hz dialirkan menuju diode rectifier atau penyearah DC dan ditampung di bank capacitor. Tegangan DC kemudian diumpankan ke PWM inverter untuk dijadikan tegangan AC kembali dengan frekuensi yang dibutuhkan tergantung dengan komponen utama (IGBT) yang frekuensi carriernya bisa mencapai 20 kHz. Tegangan DC dicacah dan dimodulasi sehingga keluar tegangan dan frekuensi yang diinginkan.
Perencanaan Filter Hybrid untuk Mengurangi Dampak
Harmonisa pada PT. Semen Indonesia Pabrik Rembang
Anissa Eka Marini Pujiantara, Ontoseno Penangsang, dan Dedet Candra Riawan
Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail:
nesyapujiantara@ymail.com
,
ontosenop@ee.its.ac.id
,
dedet@ee.its.ac.id
D. Distorsi Harmonisa
Total Harmonic Distortion (THD) merupakan hasil akumulasi keseluruhan komponen harmonisa yang terjadi pada komponen fundamental, berikut perhitungannya:
(2) dimana :
Un : komponen harmonisa U1 : komponen fundamental
k : komponen harmonisa maksimum yang diamati
Pada tabel 1 disajikan standar dari IEEE Std. 519-1992 dalam menentukan limit distorsi harmonisa tegangan yang dibedakan berdasarkan tingkat tegangan serta limit distorsi harmonisa arus yang ada pada tabel 2.
Tabel 1. Limit distorsi tegangan berdasarkan IEEE Std 519-1992
Tegangan Bus Pada PCC Distorsi Tegangan Individual (%) THD (%) 69 kV dan ke bawah 3,0 5,0 69,001 kV sampai 161 kV 1,5 2,5 161,001 kV dan ke atas 1,0 1,5
Tabel 2. Limit distorsi arus berdasarkan IEEE Std 519-1992 Distorsi Harmonisa Arus Maksimum dalam Persen terhadap IL
ISC/IL <11 11Orde Harmonisa Individual (Harmonisa Orde Ganjil) h17 17h23 23h35 35h TDD
< 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 Harmonisa orde genap dibatasi 25% dari Harmonisa orde ganjil di atas. Tidak diperbolehkan distorsi arus yang dihasilkan sistem DC, contohnya konverter setengah gelombang
*Semua peralatan pembangkit listrik terbatas pada nilai-nilai distorsi arus
terlepas dari ISC/IL aktual.
dimana :
ISC = Arus hubung singkat maksimum pada PCC
IL = Arus beban maksimum (komponen frekuensi fundamental)
pada PCC
E. Filter Harmonisa
Berdasarkan cara kerjanya, filter dibedakan menjadi dua yaitu filter pasif dan filter aktif. Dari segi komponennya, filter pasif menggunakan komponen R,L,C sedangkan filter aktif menggunakan komponen elektronika daya.
F. Filter Pasif
Dalam sistem tenaga, filter yang paling sering digunakan adalah filter pasif. Disamping harganya yang lebih terjangkau, filter pasif juga dapat menekan harmonisa di orde tertentu sesuai dengan sumber harmonisa. Jenis filter pasif yang akan digunakan adalah Single-Tuned.
G. Filter Aktif
Filter aktif disusun dari peralatan berbasis elektronika daya seperti inverter atau switching. Banyak metode yang telah dikembangkan oleh para pakar elektronika daya untuk
mengeliminasi harmonisa dalam sistem tenaga dengan menggunakan filter aktif. Pada gambar 1 dijelaskan skema dari filter aktif.
Gambar 1. Skema filter aktif
III. SISTEMKELISTRIKANEKSISTING
Pada sistem kelistrikannya Pabrik Tuban IV hanya berasal dari suplai langsung dari sumber PLN pada level tegangan 150 kV. Dimana nantinya daya oleh PLN tersebut akan diturunkan pada level tegangan beban yaitu 6.3 kV dan o.4 kV. PT. Semen Gresik Pabrik IV Tuban mengkonsumsi daya sebesar 50 MVA.
Distorsi harmonisa yang terjadi pada PT. Semen Gresik Pabrik IV Tuban terjadi akibat VFD (Variable Frequency Drive) yang terpasang pada beberapa motor. Menyebabkan nilai distorsi harmonisa melebihi standar IEEE Std. 519-1992. Gambar single line diagram PT. Semen Indonesia Pabrik Rembang dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Single Line Diagram PT. Semen Indonesia pabrik Rembang
IV. HARMONISA,FILTERAKTIFDANFILTERPASIF A. Kondisi Existing
Untuk mengetahui kualitas daya pada disain PT. Semen Indonesia Pabrik Rembang, maka dilakukan simulasi dalam beberapa kondisi. Hal ini ditujukan untuk mengetahui keadaan awal sebelum terjadi penambahan filter. Untuk mengetahui unjuk kerja dari kondisi eksisting, penulis membagi kondisi menjadi 4 studi kasus. Studi kasus tersebut antara lain :
1. Sistem Eksisting tanpa Capacitor bank dan filter harmonisa
2. Sistem Eksisting dengam pemasangan Capacitor Bank tanpa filter harmonisa
3. Sistem Eksisting tanpa pemasangan Capacitor Bank namun menggunakan filter harmonisa
4. Sistem Eksisting dengan memasang Capacitor Bank dan Filter Harmonisa.
Hasil dari simulasi aliran daya didapatkan hasil yang kurang baik beberapa bus memiliki nilai tegangan dibawah 95% Vnom dan faktor daya di bawah 85% seperti di tabel 3.
Tabel 3. Limit distorsi arus berdasarkan IEEE Std 519-1992
Bus ID Nom kV % V % V % V %V % PF % PF % PF % PF C-1 C-2 C-3 C-4 C-1 C-2 C-3 C-4 MAIN BUS REMBANG 150 100 100 100 100 66,51 74,12 91,29 98,09 ER1-831MV011 20 83.64 91 93.78 101.77 71,43 84,13 86,98 99,70 821MV012 20 86.9 93.63 96.27 103.64 73,05 85,23 88,01 99,85 811MV03 6.3 91.98 93.52 97.12 98.84 70,42 77,56 94,81 98,35 821MV011 6.3 91.76 94.72 96.51 99.77 72,57 85,38 90,95 98,56 821MV021 6.3 91.05 91.52 96.29 96.81 72,98 74,73 91,32 91,95 ER1-831MV012 6.3 74.38 85.27 88.79 100.69 78,49 88,52 78,91 92,41 ER2-831MV02 6.3 91.28 94.25 96.71 100 84,05 84,05 26,33 25,07 ER3-831MV031 6.3 89.9 92.91 94.73 98.06 76,29 76,47 76,55 76,72 ER4-831MV041 6.3 89.89 93.38 95.41 99.26 74,20 88,92 74,40 85,10 ER5-831MV051 6.3 88.55 89.03 94.44 94.98 73,39 73,43 73,97 74,01 ER5-831MV052 6.3 88.89 89.68 95.25 96.12 76,88 85,32 77,39 79,40 ER6-831MV061 6.3 88.43 89.21 94.79 95.66 77,69 77,77 77,89 77,94 ER7-831MV071 6.3 89.51 89.98 96.33 96.87 63,87 63,89 47,79 47,36 ER8-831MV081 6.3 90.53 92.32 96.53 98.54 69,11 78,95 69,69 72,19 ER8-831MV082 6.3 90.5 92.25 96.3 98.26 69,24 76,62 69,68 78,08 ER9-831MV091 6.3 90.21 91.96 96.02 97.97 77,69 77,83 77,91 77,89 ER10-831MV101 6.3 90.06 91.64 95.31 97.06 77,10 77,21 77,41 77,51 ER11-831MV111 6.3 89.63 90.1 94.9 95.42 77,32 77,34 77,52 77,53 ER11-831-MV112 6.3 91.19 92.75 96.37 98.11 77,18 77,25 77,48 77,58 BUS-344FN04CO1 0.7 82.53 86.09 88.55 92.44 66,03 64,34 66,03 64,07 831.LV011 0.4 67.62 79.5 83.26 95.83 82,17 82,24 82,24 82,30 831LV053 0.4 81.95 82.81 88.86 89.79 81,99 81,99 81,99 81,98 831LV71 0.4 85.85 86.32 91.15 91.67 79,57 79,56 79,60 79,58 831-LV3A1 0.4 85.18 85.97 91.58 92.45 80,03 79,97 79,97 80,00 831-LV081 0.4 83.03 85 89.56 91.72 86,05 86,07 86,10 86,10 831-LV082 0.4 83.83 85.72 90.08 92.16 86,13 86,16 86,16 86,19 834-LV5A1 0.4 86.98 88.74 92.81 94.77 80,00 79,97 79,97 80,03 834 -LV61 0.4 85.77 87.67 92.11 94.22 85,30 85,34 85,43 85,48
Dari 4 kasus eksisting yang telah dianalisa didapatkan hasil distorsi harmonisa tegangan (THD) pada 3 bus yang tidak dapat diredam hingga memenuhi standart yang diijinkan oleh IEEE std 519-1992 yang dapat dilihat di tabel 4.
Tabel 4. THD tegangan bus kondisi existing
Bus ID Nominal kV THD THD THD THD
C-1 C-2 C-3 C-4
BUS-344FN04CO1 0.7 8,73 8,28 7,92 7,56 831.LV011 0.4 12,72 9,45 7,77 6,64 831LV053 0.4 9,15 8,77 6,77 6,69 Untuk penentuan penggunaan kasus yang mana dalam mendesain filter perlu juga kita ketahui kondisi existing di PT. Semen Indonesia Pabrik Rembang.
Dari hasil studi aliran daya dan harmonisa tegangan, penulis mumutuskan untuk melakukan perbaikan kualitas daya dan harmonisa dengan mengacu ke hasil eksisting di kasus ke-dua. Dimana capacitor bank telah terpasang namun filter harmonisa tidak terpasang. Maka dari itu kondisi resetting dipilih di kasus 2.
Pada Tabel 5 Ditunjukan IHD dari bus yang melebihi stadar IEEE pada kasus existing ke-dua
Tabel 5. IHD tegangan bus kondisi existing 2
ID Fund. Standard kV IEEE % Order % Order VIHD VIHD
831.LV011 0,4 3% 6,55 5 5,07 7 831LV053 0,4 3% 6,22 5 4,33 11 BUS-344FN04CO1 0,7 3% 5,64 11 3,85 13
Dapat dilihat bahwa kondisi harmonisa tunggal masih melebihi rata-rata. Begitu pula dengan harmonisa arus yang ada pada tabel 6, nilai TDD masih sangat besar.
Tabel 6. Perhitungan ISC/IL, TDD, dan TDDi pada studi kasus 2
Bus Isc IL Isc/IL TDD TDDI (%)
831.LV011 31,6 3 12 5 13,08 831LV053 43,6 3,24 13 5 11,41
BUS-344FN04CO1 6,8 0,53 13 5 6,64
B. Perbaikan Kualitas aliran daya PT, Semen Indonesia Pabrik Rembang
Pada tahap ini akan dilakukan perbaikan secara bertahap dengan tujuan akhir meredam harmonisa dan memeperbaiki kualitas daya pada sistem kelistirkan pabrik. Tahap tersebut terdiri dari:
1. Perubahan setting tap changer untuk memperbaiki tegangan sistem
2. Pemasangan capasitor bank untuk memperbaiki faktor daya di main bus utama PT. Semen Indonesia
3. Pemasangan filter pasif untuk menekan distorsi harmonisa
4. Penambahan filter aktif untuk meredam harmonisa yang tidak dapat ditekan oleh filter pasif
Perencanaan Perbaikan Faktor Daya Bus Main Bus Rembang
Main Bus Rembang memiliki faktor daya 85 % lagging. Perbaikan faktor daya pada bus ini direncanakan hingga mencapai 98%. Daya reaktif yang akan diinjeksikan ke sistem kelistrikan PT. Semen Indonesia Pabrik Rembang melalui bus BUS 811MV03 dan 821 MV 021 diperoleh dari perhitungan di bawah ini: nom (1) 17,9(tan(cos-1 0,75)-tan(cos-1 0,95)) 9,66 kVAR nom (2) 15,3(tan(cos-1 0,7-tan(cos-1 0,95)) 7,25 kVAR
Besarnya daya reaktif yang akan diinjeksikan ke bus 821 MV 021 adalah sebesar 9,66 kVAR dan daya reaktif yang akan diinjeksikan ke bus 811 MV03 adalah sebesar 7,25 Kvar
Perhitungan Single Tuned Filter sebagai filter pasif
Perhitungan nilai-nilai dari komponen kapasitor, induktor, dan resistor adalah sebagai berikut:
a. Kapasitor (C) b. Induktor (L) c. Resistor (R)
Setelah dilakukan perhitungan yang sama pada bus 831.LV011,831LV053,BUS-344FN04CO1 maka didapat hasil:
Tabel 7. Desain filter pasif harmonisa di sisi tegangan rendah
BUS ID kVar rated kV xL Q factor R
1-ph
831-LV011 257 0.4 0.0249 30 0.0008 bus 344FN04C01 262 0.7 0.0154 30 0.0005 831-LV053 321 0.4 0.0199 30 0.0006
Dari data diatas maka dibuat perbandingan antara kondisi sebelum dipasang filter pasif dengan kondisi setelah dipasang filter pasif, baik THD tegangan maupun THD arus. Lalu disajikan di Tabel 8 dibawah ini:
Tabel 8. THD bus filter pasif terpasang
Bus ID Isc/Il THDv TDD
eksisting filter pasif eksisting filter pasif
BUS-344FN04CO1 13.67 7.11 0.64 7.57 0.76
831.LV011 14.5 7.65 3.86 15.56 5.77
831LV053 16.64 6.58 2.1 12.3 4.08
Dari tabel diatas dapat diketahui jika untuk nilai distorsi tegangan sudah teratasi dengan baik, namun untuk distorsi harmonisa arus masih ada yang diatas standar yaitu terletak pada bus 831.LV011.
C. Desain Filter Hybrid
Melihat kondisi diatas dapat dilihat bahwa masih filter pasif belum dapat menekan distorsi harmonisa sepenuhnya. Dalam keadaan ini harmonisa arus pada salah satu bus masih menunjukkan hasil diatas standar yang tidak diperbolehkan yaitu 5,75% TDD.
Dari masalah tersebut maka penulis menambahkan filter aktif untuk mengurangi distorsi arus pada kabel 831-LV1A-P01. Simulasi filter aktif dibuat dengan menggunakan program PSIM. Dengan membuat rangkaian filter aktif seperti pada gambar 3 dan memasukkan parameter sumber harmonisa yang ada.
Gambar 3. Simulasi filter aktif
Lalu kita memasukkan sumber harmonisa sesuai dengan harmonisa yang ada di VSD pada bus tersebut hingga terlihat jika hasilnya distorsinya seperti pada gambar dibawah ini sama. Contohnya pada VSD yang akan dimasukkan adalah VSD dengan mode Belt Conveyor seperti pada Gambar 4
Gambar 4. gambar data VSD pada ETAP (a) dan gambar hasil distorsi yang
akan disimulasikan pada Psim (b)
Setelah didapatkan data distorsi harmonisa lalu dilihat bagaimana hasil kerja filter aktif terhadap distorsi sumber harmonisa. Seperti gambar dibawah ini adalah Gambar 5 yaitu hasil simulasi filter aktif menggunakan software PSIM.
Gambar 5. gambar hasil simulasi menggunakan filter aktif
Hasil filter aktif sudah mampu memperbaiki gelombang harmonisa menjadi berbentuk sinusoidal. Setelah mengetahui responnya hasil yang didapat dimasukkan ke sumber harmonisa pada ETAP.
Gambar 6. Input parameter filter aktif di ETAP
Setelah dikonversikan dalam bentuk Variable Speed Drive (VSD) baru, maka disitulah VSD yang akan digunakan selanjutnya sebagai VSD yang sudah diberikan filter aktif seperti pada Gambar 6 diatas.
Setelah dimasukkan filter aktif kembali dijalankan analisis harmonisa untuk mengetahui apakah masih ada distorsi arus yang berada diatas standar yang direkomendasikan. Gambar 7 menunjukkan gambar simulasi setelah dipasang filter aktif.
Gambar 7. gambar hasil simulasi filter aktif di ETAP
Dari gambar diatas membuktikan bahwa filter sudah berhasil meredam distorsi harmonisa arus yang tersisa. Berikut dibawah ini adalah tabel perbandingan antara filter pasif dan filter hybrid.
Tabel 9. Perbandingan antara menggunakan filter pasif dan filter hybrid
Bus ID Isc/Il THDv TDD
filter pasif filter hybrid filter pasif filter hybrid
BUS-344FN04CO1 13.67 0.64 0.64 0.76 0.76
831.LV011 14.5 3.86 1.03 5.77 1.66
831LV053 16.64 2.1 2.1 4.08 4.08
V. KESIMPULAN/RINGKASAN
Dari hasil unjuk kerja masing-masing filter harmonisa didapat sebagai berikut:
1. Sistem kelistrikan eksisting maka memerlukan tap trafo agar tegangan di bus cukup sehingga aliran daya dari supply bisa tersampaikan ke beban tanpa ada drop voltage yang besar.
2. Pemasangan capasitor bank tambahan perlu dilakukan juga untuk memperbaiki faktor daya bus yang terhubung dengan PLN sehingga tidak membayar denda.
3. Filter pasif Single Tuned Filter yang terpasang pada bus 831.LV011, 831LV053, dan BUS-344FN04CO1 telah berhasil meredam distorsi harmonisa tegangan. Filter pasif berhasil menekan di orde 5 dan 11 sehingga %THD yang dihasilkan masih diatas batas standar yang direkomendasikan
4. Harmonisa arus untuk keseluruhan sistem berhasil diturunkan, khususnya pada bus 831LV053, dan BUS-344FN04CO1, sehingga berada di bawah standar IEEE Std. 519-1992. Akan tetapi pada bus 831 LV 011 harmonisa arus masih menunjukkan angka 5,77%. Perlu penambahan filter aktif untuk meredam distorsi harmonisa yang tidak dapat diredam oleh filter pasif. 5. Filter hybrid yang diusulkan dalam tugas akhir ini
berbentuk filter pasif yang diberi tambahan filter aktif . Pemodelan filter hybrid dalam tugas akhir ini dilakukan pada level tegangan rendah.
DAFTARPUSTAKA
[1] IEEE Std. 519-1992. “IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”.
[2] IEEE Std. 18-2002. “IEEE Standard for Shunt Power Capacitors”.
[3] IEEE Std. 1159.3-2003. “IEEE Recommended Practice for the Tranfer of Power Quality Data”.
[4] Stevenson, William D, “Analisis Sistem Tenaga Listrik ”, Diterjemahkan oleh Kamal Idris, Erlangga, Jakarta.1983. [5]Werda Mukti, Ersalina. “Analisis Pemasangan Electrolyzer
dan Perencanaan Filter Harmonisa Pada Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik Untuk Meredam Tingkat Distorsi Harmonisa”. Tugas Akhir. ITS. 2011.
[6] Herson Ruben, Jonathan. “Analisis Unjuk Kerja Filter Pasif dan Filter Aktif pada Sisi Tegangan Rendah di PT. Semen Gresik Pabrik IV Tuban, Jawa Timur”. Tugas Akhir. ITS. 2012.
[7] MCGranaghan, Mark. “Active Filter Design and Specification for Control of Harmonics in Industrial and Comercial Facilities”. USA.
[8] Fourier, J.B.J. “Theorie analytique de la chaleur”. Paris.1822.
[9]IEEE Std. 1531-2003. “Guide for Application and Specification of Harmonic Filters”.
BIOGRAFIPENULIS
Penulis bernama lengkap Anissa Eka
Marini Pujiantara dilahirkan tanggal 26 September 1992 di Surabaya. Lahir sebagai anak pertama dari pasangan Dr. Ir. Margo Pujiantara, MT dan drg. Rini Ariyanti. Riwayat organisasi penulis adalah menjadi OSIS SMAN 16 Surabaya pada tahun 2008 dan menjadi bendahara Himpunan Mahasiswa Teknik Elektro ITS selama 2 tahun kepengurusan. Selain itu penulis juga aktif di berbagai kepanitiaan acara baik nasional maupun regional sekaligus menjadi asisten dari Laboratorium Simulasi Sistem Tenaga. Penulis dapat dihubungi melalui email
