Perancangan Filter Optimum Untuk Mengatasi Efek Distorsi Harmonisa Pada Gardu
Traksi Kereta Rel Listrik (KRL) Stasiun Pasar Minggu
Irshadi Izhhar
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI, Depok
E-mail : [email protected]
Abstrak
Kereta Rel Listrik (KRL) disuplai tegangan 1500 V DC oleh gardu traksi yang didalamnya terdapat komponen penyearah. Penyearah ini memproduksi harmonisa yang menyuntikkan arus menuju sumber tegangan menengah 20kV PLN dan dapat menyebabkan rusaknya peralatan listrik. Hasil pengukuran distorsi harmonisa pada kubikel 20kV/1.2kV gardu traksi menunjukkan THD maksimum tegangan sebesar 1.87 % dan THD arus maksimum sebesar 63.38 %. THD maksimum tegangan masih dibawah standar IEEE (<5%) sedangkan THD maksimum arus berada diatas standar IEEE (<20%). Untuk mengurangi efek distorsi harmonisa arus, dirancang filter pasif untuk memfilter harmonisa orde ke-5,ke-7, dan ke-11. Hasil simulasi dengan ETAP 7.0.0 didapatkan hasil rancangan filter pasif optimum dapat mengurangi THD arus hingga rata-rata 6.24%.
Designing Optimum Filter to Reduce The Effects Of Harmonic Distortion at Pasar Minggu Traction Substation of Electric Train
Abstract
Electric train is supplied with 1500 V DC by traction substation which have components of the rectifier . This rectifier produces harmonics that inject harmonics current toward source 20kV PLN and cause the damage of electric utility. Measurement results of harmonic distortion at 20kV/1.2kV cubicles in traction substation shows that the maximum value of THD-v is 1.87% and the maximum value of THD-i is 63.38 %. THD-v is below IEEE standard (< 5 %) and THD-i is above the IEEE standard (<20 %). In order to reduce the effects of harmonics currents, passive filter is designed to filter harmonics for 5th , 7th , and 11th order. ETAP 7.0.0 simulation result obtains the optimum design of passive filter that can reduce THD-i to 6.24% average.
Keywords : Electric train, traction substation, harmonic, filter
I. PENDAHULUAN
Kereta Rel Listrik (KRL) merupakan salah satu alat transportasi masal yang dapat diandalkan untuk mengatasi kemacetan yang terjadi di ibukota. Sumber energi listrik diperoleh dari PLN yang kemudian didistribusikan dari gardu-gardu menuju KRL melalui sistem gardu traksi. Gardu traksi yang dipakai menggunakan jenis arus searah DC, sehingga dalam gardu tersebut harus dipasang konverter yang mengubah dari arus bolak-balik AC menjadi arus searah DC. Namun terdapat masalah yang dapat ditimbulkan oleh konverter tersebut yakni arus dan tegangan
harmonisa. Keberadaan harmonisa tersebut dapat
menurunkan kualitas daya listrik dan pemanasan lebih pada peralatan gardu. Sebagai contoh, kebakaran yang terjadi pada gardu traksi KRL-UI Depok tahun 2009 dapat dimungkinkan karena efek harmonisa. Untuk mengatasi harmonisa tersebut perlu dipasang filter. Skripsi ini dimaksudkan untuk mengetahui besar distrosi harmonisa dan merancang jenis filter yang harus dipasang pada setiap gardu traksi KRL. Kontribusinya diharapkan menjadi
pertimbangan untuk diterapkan sehingga terjadi
peningkatkan efisiensi dan kestabilan sistem catu daya KRL di Indonesia.
II. HARMONISA, FILTER, KERETA REL LISTRIK (KRL) DAN GARDU TRAKSI
A. Pengertian dan Produksi dari Harmonisa
Harmonisa adalah kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamental yang turut mempengaruhi sistem tenaga listrik. Ellis (2001) menyatakan bahwa harmonisa merupakan cara matematis untuk menyatakan suatu gangguan pada bentuk gelombang tegangan atau arus. Adanya komponen harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik dapat menyebabkan distorsi pada bentuk tegangan atau arus yang dapat mempengaruhi kualitas sistem tenaga listrik.
Suatu gelombang yang terdistorsi dapat dinyatakan sebagai jumlah dari beberapa gelombang sinusoid dengan frekuensi yang berbeda-beda. Ketika gelombang-gelombang tersebut identik antara suatu siklus dengan siklus lainnya, maka gelombang tersebut dapat dinyatakan sebagai jumlah dari beberapa gelombang sinusoidal dimana frekuensi dari tiap sinusoidnya merupakan kelipatan dari gelombang pada frekuensi fundamentalnya. Perwujudan dari konsep ini dapat dilihat pada gambar 1.
Gambar 1. Representasi Fourier dari gelombang terdistorsi
Total Harmonic Distortion (THD) merupakan
jumlah distorsi dari semua komponen harmonisa dari tegangan atau arus. THD biasanya merupakan perbandingan terhadap nilai dari nilai rms pada komponen fundamental arus atau tegangan. Semakin besar nilai THD, maka distorsi yang terjadi semakin besar dan dapat mengakibatkan perubahan bentuk gelombang yang semakin besar. THD dirumuskan secara matematis sebagai berikut.
dimana
Mh = Tegangan / Arus Harmonisa ke-h M1 = Tegangan / Arus Fundamental
B. Standar IEEE Untuk Harmonisa
Institute of Electrical and Electronics Engineers
(IEEE) memiliki standar sendiri yang mengatur batas maksimal dari harmonisa yang dapat diterima untuk suatu sistem tenaga listrik. Standar tersebut tertuang dalam IEEE Standard 519-1992. Berikut adalah standar yang diterapkan IEEE untuk harmonisa pada sistem tenaga listrik.
1. Standar untuk distorsi tegangan
Tabel 1. Standar distorsi harmonisa untuk tegangan
2. Standar untuk distorsi arus
Tabel 2. Standar distorsi harmonisa untuk arus
C. Filter Harmonisa
Tujuan utama dari perancangan filter harmonisa adalah untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus.
1). Filter Pasif
Aplikasi filter pasif merupakan metode penyelesaian yang efektif dan ekonomis untuk masalah harmonisa. Filter pasif sebagian besar didesain untuk memberikan bagian khusus untuk mengalihkan arus haromonisa yang tidak diinginkan dalam sistem tenaga. Filter pasif banyak digunakan untuk mengkompensasi kerugian daya reaktif akibat adanya harmonisa pada sistem instalasi. Rangkaian filter pasif terdiri dari komponen R, L, dan C. Komponen utama yang terdapat pada filter pasif adalah kapasitor dan induktor. Kapasitor dihubungkan seri atau paralel untuk memperoleh sebuah total rating tegangan dan kVAR yang diinginkan. Sedangkan induktor digunakan dalam rangkaian filter dirancang mampu menahan selubung frekuensi tinggi yaitu efek kulit (skin effect).
Gambar 2. Rangkaian Filter Pasif Dalam Sistem
Gambar 2.6 memperlihatkan beberapa jenis filter pasif yang umum beserta konfigurasi dan impedansinya. Tipe filter pasif yang paling umum digunakan adalah single
tuned. Filter umum ini biasa digunakan pada tegangan
rendah. Rangkaian filter ini mempunyai impedansi yang rendah. Sebelum merancang suatu filter pasif, maka perlu diketahui besarnya kebutuhan daya reaktif pada sistem. Daya reaktif sistem ini diperlukan untuk menghitung besarnya nilai kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki sistem tersebut.
Gambar 3. Jenis-jenis Filter Pasif
2). Filter Aktif
Filter Aktif adalah suatu perangkat elektronik yang dapat memperbaiki kualitas daya yang dikirimkan dari sumber ke beban. 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.
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
juga tegangan tinggi tergantung pada permasalahan kualitas daya.
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.
D. Kereta Rel Listrik DC dengan Motor DC
Kereta Rel Listrik (KRL) DC dengan motor DC merupakan konfigurasi yang diterapkan di Indonesia karena KRL yang beroperasi di Indonesia kebanyakan merupakan bekas Jepang dimana disana menerapkan transmisi DC
dengan motor DC. Gambar-gambar dibawah ini
menunjukkan tampak luar komponen-komponen KRL yang dapat kita jumpai di Indonesia.
Berbagai komponen kereta listrik AC dengan motor DC terdiri dari :
1. Pantograf
2. Pemutus Tenaga (Circuit Breaker) 3. Konverter DC-DC
4. Motor Traksi DC
Gambar 4 Bagian KRL DC dengan Motor DC di Indonesia (1)
E. Gardu Traksi
Kereta Rel Listrik (KRL) merupakan kereta yang sumber daya utamanya menggunakan listrik. Daya listrik diperoleh dari jaringan tegangan menengah (20 kV) PLN atau penyedia layanan listrik lainnya. Jaringan tegangan menengah ini masuk ke gardu traksi sebelum disalurkan ke KRL. Kemudian daya listrik yang dibutuhkan oleh KRL ini akan disuplai menggunakan kawat konduktor yang membentang di bagian atas sepanjang rute KRL tersebut yang disebut dengan sistem catenary atau LAA (Listrik Aliran Atas). Sistem catenary dapat dibagi berdasarkan jenis arus listrik yang mengalir yaitu:
1. Arus searah (DC) : 750 V DC, 1500 V DC, 3000 V DC
2. Arus bolak-balik (AC) : 15 kV AC 16,7 Hz dan 25 kV AC 50 Hz
Adapun sebagai contoh sistem LAA di DKI Jakarta menggunakan sistem arus searah 1500 VDC yang disuplai dari gardu traksi (traction substation). Gardu traksi pertama kali dibangun di Indonesia pada tahun 1925/1926 di Jatinegara dan Ancol dengan menggunakan sistem konfigurasi motor dan generator buatan General Electric. Saat ini, sistem gardu traksi menggunakan teknologi penyearahan silicon rectifier. Selain menggunakan silicon
rectifier, untuk dapat mensuplai LAA dengan tegangan 1500
VDC, sistem gardu traksi menggunakan beberapa panel dan komponen seperti: panel 20 kV, panel 6 kV, trafo 20 kV/1200 V, Silicon rectifier, DC Switchgear, trafo 20 kV/6
kV, trafo 20 kV/380 V, trafo 6 kV/380 V, panel AC/DC, baterai dan charger, panel interkoneksi, panel VCP, serta panel LBD. Spesifikasi dari setiap komponen ini bergantung dari daya yang disuplai gardu traksi. Di daerah DKI Jakarta, gardu traksi biasanya memiliki daya bervariasi antara 1500 kW, 3000 kW, atau 4000 kW.
Skema sistem gardu traksi dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 5. Sistem Gardu Traksi
III. METODE DAN ANALISIS HASIL PENGUKURAN HARMONISA PADA GARDU TRAKSI A. Identifikasi Masalah dan Hipotesa Awal
Kereta Rel Listrik (KRL) membutuhkan suplai listrik arus searah dengan tegangan sebesar 1500 V yang diperoleh dari penyearahan tegangan arus bolak-balik 1200 V sehingga dibutuhkan konverter atau penyearah pada gardu traksi. Penyearah menggunakan Silicon Rectifier yang merupakan komponen elektronika daya. Sifat utama dari komponen elektronika daya adalah kemampuannya untuk mengubah bentuk gelombang keluaran. Harmonisa sendiri terjadi apabila terdapat beban non-linier, yaitu beban yang menyebabkan perubahan bentuk arus tidak sama dengan
bentuk gelombang tegangannya. Karena komponen
elektronika mengubah bentuk gelombang keluaran maka besar kemungkinan akan timbul harmonisa. Selain itu pada gardu juga terdapat penyearah dengan keluaran 110 V untuk mengisi baterai, kebutuhan utilitas dan kontrol. Oleh karena itu, maka gardu traksi KRL hampir dapat dipastikan bisa menghasilkan harmonisa. Karakteristik harmonisa yang akan menyuntikkan arus menuju sumber atau berlawanan arah dengan arus normal akan menyebabkan sistem tegangan menengah 20kV PLN yang menyuplai gardu ini juga ikut terdistorsi. Oleh karena itu, dengan menyelidiki THD-F di kubikel suplai kereta dan kubikel kontrol tersebut akan dapat dirancang filter yang dapat mengurangi efek distorsi harmonisa terhadap sistem dan peralatan listrik gardu traksi.
B. Diagram Alir Pengukuran Harmonisa
Gambar 6. Diagram alir Pengukuran
C. Spesifikasi Alat Ukur yang Digunakan
Peralatan pengukuran yang digunakan dalam
pengambilan data ini adalah Power Analyzer Hioki seri 3169-20. Alat ini bisa menampilkan dan menyimpan nilai dari parameter-parameter kualitas daya yang dibutuhkan yang meliputi tegangan (V), arus (I), frekuensi (f), daya kompleks (S), daya nyata (P), daya reaktif (Q), konsumsi energi, dan faktor daya (PF). Selain itu, alat ini juga mampu mengukur komponen harmonisa arus dan tegangan sampai dengan orde ke-40. Data hasil pengukuran disimpan di PC
card dan dengan mudah dapat ditransfer ke komputer
melalui universal card reader. Dengan bantuan program “HIOKI 9625 Power Measurement Support Software”, hasil pengukuran dapat dilihat di komputer untuk kemudian dianalisis. Dengan software diatas kita bisa melihat data hasil pengukuran berupa ringkasan data yang dicuplik berdasarkan interval waktu yang ditentukan, grafik gelombang, dan spektrum untuk memudahkan analisis. Berikut gambar alat yang digunakan dalam pengukuran :
Gambar 7. Hioki 3169-20
D. Metode Pengukuran Harmonisa pada Kubikel
20kV/1,2kV
Pengukuran ini dilakukan untuk mengetahui besarnya distorsi harmonisa pada kubikel yang menyuplai silicon
rectifier. Pada pengukuran ini, alat ukur dipasang pada
metering atau sisi sekunder transformator tegangan (PT) dan transformator arus (CT). Hal ini dikarenakan keterbatasan rating pengukuran tegangan dan arus alat ukur. Pengukuran dilakukan selama 7 hari non-stop dengan interval pencuplikan data 1 menit untuk mendapatkan data yang valid dikarenakan beban kereta yang berubah setiap saatnya. Skema rangkaian pengukuran dapat dilihat seperti pada gambar.8 berikut ini:
Gambar 8. Rangkaian Pengukuran Kubikel 20kV/1,2kV
E. Metode Pengukuran Harmonisa pada Kubikel
20kV/0,4kV
Pengukuran ini dilakukan untuk mengetahui besarnya distorsi harmonisa pada kubikel yang menyuplai AC/DC
Panel atau panel yang digunakan untuk kebutuhan utilitas,
kontrol dan pengisian baterai.
Gambar 9. Rangkaian Pengukuran Kubikel 20kV/0,4kV
F. Harmonisa di Kubikel Penyearah 20kV/1.2kV
Berdasarkan hasil pengukuran selama 7 hari, diperoleh data Total Harmonic Distortion (THD) maksimum tegangan sebagai berikut :
Tabel 3 THD-V Kubikel 20kV/1.2kV
Hari Parame
ter
Fasa R Fasa S Fasa T
THD-v (%) Jam THD-v (%) Jam THD-v (%) Jam Senin Maksim um 1.76 23:20 1.67 5:45 1.71 23:20 Rata-rata 1.45 1.43 1.27 Selasa Maksim um 1.68 5:55 1.65 5:55 1.58 0:25 Rata-rata 1.46 1.45 1.29 Rabu Maksim um 1.73 5:25 1.73 5:40 1.64 5:40 Rata-rata 1.46 1.43 1.31 Kamis Maksim um 1.79 5:35 1.77 5:55 1.62 12:05 Rata-rata 1.52 1.51 1.34 Jumat Maksim um 1.87 7:15 1.81 7:15 1.75 7:15 Rata-rata 1.47 1.49 1.3 Studi Literatur Pengukuran kubikel 20kV/1,2kV Pengukuran kubikel 20kV/0,4kV
Rancang Filter Analisis
Data Harmonisa
Sabtu Maksim um 1.81 8:40 1.76 6:15 1.63 6:20 Rata-rata 1.46 1.51 1.27 Mingg u Maksim um 1.78 16:00 1.67 6:15 1.53 16:00 Rata-rata 1.38 1.38 1.13
Mengacu pada standar distorsi harmonisa IEEE 512-1992, besar distorsi harmonisa maksimum yang terjadi masih dibawah standar yaitu < 5%. Oleh karena itu, belum perlu adanya tindak lanjut terhadap gangguan harmonisa tersebut.
Sedangkan untuk harmonisa arus, diperoleh data Total
Harmonic Distortion (THD) maksimum arus sebagai berikut
:
Tabel 4. THD-I Kubikel 20kV/1.2kV
Hari Parame
ter
Fasa R Fasa S Fasa T
THD-i (%) Jam THD-i (%) Jam THD-i (%) Jam Senin Maksim um 47.33 15:20 48.32 11:15 38.54 11:15 Rata-rata 18.13 17.6 15.92 Selasa Maksim um 46.29 10:55 48.32 14:20 36.88 14:50 Rata-rata 18.02 17.67 15.83 Rabu Maksim um 52.47 16:35 47.95 9:20 38.44 16:35 Rata-rata 19.07 18.5 16.74 Kamis Maksim um 51.67 14:35 46.33 7:40 38.64 14:20 Rata-rata 19.73 19.33 17.22 Jumat Maksim um 39.91 0:15 39.98 3:40 33.32 3:30 Rata-rata 24.66 24.22 21.05 Sabtu Maksim um 63.38 10:30 50.92 11:20 45.91 10:30 Rata-rata 20.49 19.95 17.17 Minggu Maksim um 42.01 19:45 46.73 12:40 34.01 12:40 Rata-rata 17.12 17.12 15.37
Gambar 10. Gelombang THD-i (Sabtu)
Dari tabel 4, dapat dilihat bahwa distorsi harmonisa arus diluar standar IEEE yaitu >20% dengan tingkat distorsi terbesar terjadi pada hari sabtu sebesar 63.38% pada pukul 10:30 WIB.
1). Orde Penyumbang Harmonisa Terbanyak
Berikut ini orde penyumbang harmonisa terbanyak saat harmonisa maksimum terjadi per hari :
Tabel 5. THD-V Maksimum Kubikel 20kV/1.2kV
Orde IHD-V (%) Senin Selasa Ra bu Ka mis Jumat Sabt u Minggu 2 0.01 0.03 0.0 3 0.02 0.02 0.02 0.02 3 0.26 0.25 0.2 9 0.25 0.25 0.29 0.25 4 0.01 0.01 0.0 2 0.01 0.01 0.01 0.01 5 1.55 1.53 1.5 6 1.67 1.42 1.55 1.54 6 0.02 0.01 0.0 2 0.01 0.01 0.02 0 7 0.57 0.35 0.5 8 0.48 0.06 0.09 0.27 8 0.01 0 0.0 1 0.01 0 0.02 0.01 9 0.07 0.09 0.0 8 0.09 0.09 0.06 0.05 10 0.01 0 0.0 1 0 0.01 0.01 0 11 0.5 0.47 0.2 9 0.32 0.87 0.64 0.56 12 0.01 0 0 0.01 0.01 0.01 0 13 0.21 0.24 0.1 4 0.03 0.79 0.57 0.56 14 0 0.01 0.0 1 0.01 0 0.01 0 15 0.02 0.02 0 0.02 0.01 0.03 0.02 16 0.01 0 0.0 1 0.01 0 0 0.01 17 0.06 0.03 0.0 7 0.06 0.1 0.12 0.14 18 0 0 0 0 0 0 0 19 0.03 0.02 0.0 7 0.09 0.09 0.09 0.14 20 0 0.01 0 0 0.01 0 0 THD-V 1.76 1.68 1.7 3 1.79 1.87 1.81 1.78
Tabel 6. THD-I Maksimum Kubikel 20kV/1.2kV
Orde
IHD-I (%)
Senin Selasa Rabu Kamis Juma
t Sabt u Mingg u 2 1.99 4.06 7.22 6.85 2 9.96 3.55 3 13.33 15.56 14.81 13.89 20.15 8.76 22.02 4 0.75 2.48 4.32 5.68 1 9.47 0.27 5 16.14 25.01 18.81 23.05 19.99 29.4 4 24.94 6 1.83 3.38 5.09 5.47 0.67 4.23 0.56 7 36.69 29.64 38.46 33.98 24.71 42.7 2 18.95 8 1.51 2.59 0.77 4.73 0.29 2.33 0.43 9 2.03 2.11 3.42 1.92 1.24 0.93 2.44 10 0.3 1.32 1.67 1.52 0.4 4.2 0.34 11 15.5 12.68 18.82 19.35 9.9 25.7 4 12.09 12 0.58 0.88 2.49 0.87 0.55 2.76 0.39 13 9.88 9.48 10.45 12.48 4.85 13.0 5 6.7 14 0.42 1.23 1.34 2.21 0.28 3.23 0.2 15 2.56 3.37 2.45 3.76 0.81 3.71 2.3
16 0.07 0.84 0.7 1.22 0.96 1.63 0.6 17 5.51 4.43 6.68 3.88 3.15 7.66 3.91 18 0.12 0.68 0.88 1.54 0.72 0.42 0.44 19 2.75 1.04 2.86 2.54 1.32 2.75 1.51 20 0.82 0.66 0.67 0.76 0.97 1.54 0.14 TH D-I 47.33 46.29 52.47 51.67 39.91 63.3 8 42.01
Berdasarkan data pada tabel 6, orde-orde penyumbang harmonisa arus terbanyak adalah pada orde ke-5, ke-7, dan ke-11. Oleh karena itu, filter pasif dapat dirancang untuk memotong harmonisa yang ditimbulkan oleh frekuensi 250 Hz, 350 Hz, dan 550 Hz.
G. Konsumsi Daya Kubikel Penyearah 20kV/1.2kV
Tabel 9. Data Daya Pengukuran Parameter / Hari Se nin Sel asa Ra bu Ka mis Jum at Sa btu Min ggu rata-rata P (kW ) Mak s 30 03 232 6 20 51 255 2 385 2.4 331 5 2082 2740. 20 rata-rata 38 4 355 31 8 349 300. 7 282 353 334.5 3 Min 18 18 19 18 19.7 19 20 18.81 Q (kV AR) Mak s 8 8 9 8 7.4 7 7 7.77 rata-rata -41 2 -380 -34 0 -371 -307. 2 -299 -379 -355.4 6 Min -30 80 -248 1 -22 12 -269 8 -370 3.7 -334 6 -2254 -2824. 9 S (kV A) Mak s 43 02 340 1 30 17 371 3 534 4 471 0 3068 3936. 43 rata-rata 56 7 523 46 9 513 436. 5 414 520 491.7 9 Min 19 19 20 19 20.3 20 20 19.61
Tabel 9 diatas merupakan data hasil pengukuran daya aktif (P), daya reaktif (Q) dan daya semu (S) dalam kondisi minimum, maksimum, dan rata-rata disetiap harinya. Pada bagian daya reaktif, lambang negatif (-) menunjukkan beban dalam keadaan lagging sedangkan lambang positif (+) menunjukkan beban dalam keadaan
leading.
IV. PERANCANGAN FILTER HARMONISA DAN SIMULASI PERANCANGAN FILTER PASIF A. Perancangan Filter Pasif
Filter pasif yang akan dirancang pada skripsi ini adalah jenis single tuned. Idealnya sebuah filter single tuned hanya akan bekerja mereduksi distorsi harmonisa pada satu orde saja, yaitu pada orde kerjanya. Oleh karena itu hal pertama yang dibutuhkan dalam merancang filter ini adalah data acuan level distrosi harmonisa tegangan (THD-v) dan harmonisa arus (THD-i) maksimum di setiap ordenya pada kubikel penyearah 20kV/1.2kV dan kubikel 20kV/0.4kV. Data acuan ini dibutuhkan agar filter tidak bekerja di orde kerja yang salah yang tentu mengakibatkan kurang optimalnya kinerja filter.
Kriteria untuk menentukan orde kerja filter lebih baik jika didasarkan pada nilai harmonisa tegangan pada setiap orde. Hal ini disebabkan karena lebih mudah menjamin berada dalam batas tegangan yang layak daripada membatasi tingkat arus akibat adanya perubahan impedansi jaringan AC. Akan tetapi bila dilihat dari tabel 5 dan tabel 6, orde penyumbang THD-v terbanyak adalah pada orde ke-5 dan orde penyumbang THD-i terbanyak adalah pada orde ke-5, ke-7, dan ke-11. Oleh karena THD-v masih dibawah standar IEEE, maka lebih baik merancang filter untuk mengatasi THD-i yaitu filter pasif single tuned orde ke-5, orde ke-7, dan ke-11.
Untuk mendapatkan kinerja filter optimum, maka perancangan spesifikasi filter pasif single tuned orde ke-5, orde ke-7, dan ke-11 dilakukan berdasarkan profil daya per hari. Kemudian akan disimulasikan dan ditentukan spesifikasi filter berdasarkan profil daya hari yang memiliki kinerja paling baik atau dapat menekan distorsi harmonisa sekecil mungkin.
Gambar 11. Diagram Alir Perancangan Fiter Pasif
Sebelum melakukan perancangan filter single tuned maka terlebih dahulu mengetahui karakteristik impedansi filter single tuned. Kemudian mengetahui IHD arus pada bus yang akan dipasang filter. Setelah itu langkah berikutnya adalah menentukan harmonisa arus terbesar yang dihasilkan oleh orde n, kemudian orde n dengan nilai harmonisa arus terbesar dipilih sebagai frekuensi untuk tuning.
Setelah melakukan proses identifikasi terhadap orde yang akan dilakukan eliminasi, langkah selanjutnya adalah menentukan nilai faktor daya. Nilai faktor daya dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut :
Sebagai contoh, perhitungan perancangan filter berdasarkan profil daya hari jumat akan dibahas. Sebagaimana terlihat dari tabel 9, penggunaan daya semu
Mulai
Tentukan orde penyumbang harmonisa terbanyak
Tentukan QVAR untuk
perbaikan Power Factor
Cari besar Xc dan C
Cari besar XL dan L sesuai orde yang ingin difilter
(S) maksimum terjadi pada hari jumat adalah 5344 kVA dengan P sebesar 3852,4 Watt. Dari persamaan diatas diperoleh nilai faktor daya pada saat kondisi daya semu (S) maksimum adalah sebesar 0,72. Pendekatan pada kondisi maksimum diambil untuk mengantisipasi besarnya daya reaktif yang dibutuhkan dalam sistem.
Dengan penambahan kompensator daya reaktif kepada sistem sebesar 1730 kVAR, filter ini akan memperbaiki faktor daya sistem dari 0,72 menjadi 0,89. Berikut persamaaannya :
√[
] √[
]
Perhitungan filter single tuned orde ke-5 :
Berdasarkan besarnya daya reaktif yang dibutuhkan kemudian ditentukan impedansi dari kapasitor dengan persamaan berikut :
Dengan besar rating tegangan adalah 1,2kV dan rating daya reaktif adalah 1,730 MVAR, didapatkan impedansi kapasitor sebesar 0,832 . Besar kapasitansi kapasitor dapat dihitung dengan persamaan berikut :
Dengan f = frekuensi fundamental 50Hz
Dari perhitungan didapatkan kapasitansi sebesar 3826 μF. Setelah itu ditentukan besar impedansi reaktor filter dengan persamaan berikut :
Dengan n = orde harmonisa tegangan yang difilter (disetel sedikit dibawah ordenya)
Seperti yang telah dibahas sebelumnya bahwa orde harmonisa yang akan difilter adalah orde 5. Penyetelan diturunkan sedikit dibawahnya yakni pada nilai 4,9. Hal ini perlu dilakukan sebagai toleransi komponen filter untuk mencegah resonansi yang terjadi dalam sistem pada frekuensi yang mengganggu. Berdasarkan perhitungan didapatkan impedansi reaktor filter sebesar 0,034
Besar induktansi induktor dapat dihitung dengan persamaan berikut :
Dengan f = frekuensi fundamental 50Hz
Dari perhitungan didapatkan induktansi sebesar 0,11 mH. Dengan melakukan perhitungan yang sama untuk semua profil daya per hari didapatkan hasil perancangan filter single tuned orde 5 seperti terlihat pada tabel dibawah ini:
Tabel 10. Spesifikasi filter orde 5 hasil rancangan
Hari QVAR n = 5 XC (Ω) XL (Ω) C (μF) L (mH) Senin 1541.971 0.933 0.038 3410 0.12 Selasa 1289.589 1.116 0.046 2852 0.15 Rabu 1161.862 1.239 0.051 2570 0.16 Kamis 1389.545 1.036 0.043 3073 0.14 Jumat 1730.051 0.832 0.034 3826 0.11 Sabtu 1647.549 0.874 0.036 3644 0.11 Minggu 1186.779 1.213 0.050 2625 0.16
Perhitungan yang sama juga dilakukan untuk menentukan spesifikasi filter single tuned orde 7, dan orde 11. Hasil perancangan filter untuk orde 7 dan orde 11 untuk semua profil daya per hari dapat dilihat pada tabel 11 dan tabel 12 dibawah ini :
Tabel 11. Spesifikasi filter orde 7 hasil rancangan
Hari QVAR n = 7 XC (Ω) XL (Ω) C (μF) L (mH) Senin 1541.971 0.933 0.019 3410 0.062 Selasa 1289.589 1.116 0.023 2852 0.074 Rabu 1161.862 1.239 0.026 2570 0.082 Kamis 1389.545 1.036 0.021 3073 0.069 Jumat 1730.051 0.832 0.017 3826 0.055 Sabtu 1647.549 0.874 0.018 3644 0.058 Minggu 1186.779 1.213 0.025 2625 0.081
Tabel 12. Spesifikasi filter orde 11 hasil rancangan Hari QVAR n = 11 XC (Ω) XL (Ω) C (μF) L (mH) Senin 1541.971 0.933 0.007 3410 0.025 Selasa 1289.589 1.116 0.009 2852 0.029 Rabu 1161.862 1.239 0.010 2570 0.033 Kamis 1389.545 1.036 0.008 3073 0.027 Jumat 1730.051 0.832 0.007 3826 0.022 Sabtu 1647.549 0.874 0.007 3644 0.023 Minggu 1186.779 1.213 0.010 2625 0.032
B. Simulasi Hasil Rancangan Menggunakan ETAP Power Station 7.0.0
Adapun tahapan-tahapan simulasi filter single tuned hasil rancangan digambarkan secara umum dengan diagram alir pada gambar 4.2 sebagai berikut :
Gambar 12. Diagram Alir Simulasi
Pertama-tama yang dilakukan adalah memodelkan rangkaian gardu traksi LAA. Permodelan ini berdasarkan data single line diagram dan spesifikasi peralatan atau komponen pada gardu sehingga didapatkan rangkaian simulasi mendekati kondisi di lapangan sesungguhnya. Rangkaian Gardu LAA Stasiun Pasar Minggu pada simulasi ETAP Power Station 7.0.0 disusun secara sederhana seperti pada gambar 13 berikut ini :
Gambar 13. Rangkaian Simulasi
Oleh karena penyearah yang terdapat pada ETAP Power Station 7.0.0 tidak tersedia merk Siemens dan agar didapatkan besar distorsi harmonisa yang sama dengan kondisi sebenarnya, maka perlu dibuat harmonic library baru sebanyak 7 buah yang karakteristiknya sesuai dengan karakteristik THD-i hasil pengukuran per hari di lapangan. Seperti terlihat pada gambar 14, data IHD masing-masing orde saat pengukuran (contoh hari jumat) dimasukkan ke masing-masing orde pada library yang baru.
Gambar 14. Penambahan Harmonic Library
Setelah itu, harmonic analysis dilakukan untuk mengetahui apakah besar THD-I pada sistem sama dengan THD-I saat pengukuran.
1). Sebelum Pemasangan Filter
Setelah simulasi harmonic analysis dilakukan didapatkan nilai THD-i pada kubikel 20kV/1.2kV seperti terlihat pada tabel 13 dibawah ini :
Tabel 13. THD-i Simulasi Sebelum Pemasangan Filter
Hari THD-i (%) Real Simulasi Senin 47.33 43.36 Selasa 46.29 41.47 Rabu 52.47 47.95 Kamis 51.67 47.15 Jumat 39.91 33.04 Sabtu 63.38 60.13 Minggu 42.01 33.76
Bentuk gelombang dan spektrum harmonisa (contoh hari sabtu) dapat dilihat pada gambar 15 dan 16 berikut ini :
Gambar 15. Gelombang THD-i Kubikel 20kV/1.2kV Sabtu (Sebelum Pemasangan Filter)
Gambar 16. Spektrum THD-i Kubikel 20kV/1.2kV Sabtu (Sebelum Pemasangan Filter)
Mulai
Data Single Line Diagram Permodelan Sistem Penambahan Harmonic Library Load Flow Analysis Harmonic Analysis Tentukan QVar THD OK? Selesai No Yes Desain Single Tuned Filter
4.2.2 Setelah Pemasangan Filter
Filter single tuned orde 5,7, dan 11 berdasarkan profil daya per hari yang telah dirancang sebelumnya kemudian diimplementasikan pada rangkaian simulasi dengan memvariasikan 7 buah library harmonic (yang merepresentasikan THD-i per hari).
Gambar 4.7 Rangkaian Setelah Pemasangan Filter
Gambar 17. Gelombang THD-i Kubikel 20kV/1.2kV Sabtu (Sesudah Pemasangan Filter Profil Daya Sabtu)
Gambar 18. Spektrum THD-i Kubikel 20kV/1.2kV Sabtu (Sesudah Pemasangan Filter Profil Daya Sabtu)
Tabel 14. THD-i Simulasi Setelah Pemasangan Filter
Spesifik asi Filter THD-i (%) Rat a-Rat a Seni n Selas a Rabu Kam is Jum at Sabt u Mingg u Senin 4.09 8.34 14.83 14.07 4.11 20.47 7.29 10.4 5 Selasa 12.2 8 25.05 44.55 42.27 12.34 61.46 21.90 31.4 0 Rabu 31.0 5 63.34 112.6 4 106.8 7 31.2 155.3 9 55.38 79.4 1 Kamis 7.18 14.64 26.03 24.7 7.22 35.92 12.8 18.3 5 Jumat 2.45 4.98 8.85 8.41 2.46 12.22 4.35 6.24 Sabtu 3 6.11 10.86 10.31 3.01 15 5.34 7.66 Minggu 26.8 5 54.78 97.41 92.42 26.98 134.3 8 47.89 68.6 7
Berdasarkan tabel 14 diatas, dapat dilihat spesifikasi filter berdasarkan profil daya hari jumat lah yang paling optimum untuk digunakan karena dapat menekan harmonisa setiap hari rata-rata hingga 6.24%. Spesifikasi filter profil daya jumat atau filter optimum dapat dilihat pada tabel 15 berikut ini :
Tabel 15. Spesifikasi Filter Optimum Hasil Rancangan Spesifikasi Orde 5 Orde 7 Orde 11
L 0.11 mH 0.055 mH 0.022 mH
XL 0.034 0.017 0.007
C 3826 μF 3826 μF 3826 μF
XC 0.832 0.832 0.832
QVAR 1730 kVAR 1730 kVAR 1730 kVAR
Rating
tegangan 1,2kV 1,2kV 1,2kV Q factor 80 80 80
V. KESIMPULAN
Dari skripsi yang telah disusun dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Hasil pengukuran harmonisa pada kubikel penyearah 20kV/1.2kV didapatkan THD-v maksimum sebesar 1.87% (sesuai standar IEEE) dan THD-i maksimum sebesar 63.38% (melebihi standar IEEE).
2. Besarnya distosi harmonisa berfluktuasi setiap harinya dengan besar THD-v maksimum terjadi pada hari jumat dan THD-i maksimum terjadi pada hari sabtu. 3. Orde penyumbang harmonisa tegangan terbanyak
adalah orde ke-5 sedangkan orde penyumbang harmonisa arus terbanyak adalah orde ke-5, orde ke-7 dan orde ke-11.
4. Pemasangan filter single tuned orde ke-5, orde ke-7 dan orde ke-11 yang dirancang berdasarkan profil daya hari jumat dapat mengurangi harmonisa arus hingga rata-rata THD-i sebesar 6.24% per hari.
REFERENSI
Victor Widiputra. "Analisis Efek Harmonisa Terhadap Penyimpangan Pembacaan Alat Ukur kWh Meter Analog Pelanggan Rumah Tangga PLN ". Skripsi, Program Sarjana Jurusan Teknik Elektro Universitas Indonesia, Depok, 2014, hal 4-14.
Sabri . “Perancangan Filter Pasif Untuk Mengatasi Harmonisa Pada Gardu Penyearahan Pusat Listrik Aliran Atas - PT KAI Commuter Jabodetabek Indonesia”. Jurnal. Lab.Sistim Tenaga dan Distribusi Elektrik STEI ITB Bandung,Indonesia.
Kurnia Refandra.“Perencanaan High Pass dan Single Tuned Filter Sebagai Filter Harmonisa Pada Sistem Kelistrikan British Oil Company Gresik, Jawa Timur”. Jurnal. Program Sarjana Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.
Bestion Alzari. "Rancang Bangun Single Tuned Filter Sebagai Alat Pereduksi Harmonik Untuk Karakteristik Beban Rumah Tangga 2200VA ". Skripsi, Program Sarjana Jurusan Teknik Elektro Universitas Indonesia, Depok, 2011, hal 52-54.
Lokasi pemasangan filter
“Gardu Traksi (Traction Substation)”. Artikel
Karyawan. 3 Desember 2012.
<http://www.bumn.go.id/len/berita/294/>
I Nengah Suweden ; I Wayan Rinas. “Analisa Penanggulangan Thd Dengan Filter Pasif Pada Sistem Kelistrikan Di Rsup Sanglah”. Jurnal. Teknik Elektro Universitas Udayana. 2009.
Dugan, Roger.C and McGranaghan, Mark.F. Electrical Power Systems Quality. New York : McGraw-Hill. 2003, hal 93-120.
Chapman, Stephen J. 2005. Electric Machinery
Fundamental.USA: Mc.Graw Hill.
Japan International Agency Japanese National
Railways Railway Electrification Asociation. Railway
Electrification, the 2nd Edition.
Irshadi Izhhar. " Sistem Kelistrikan Kereta Rel Listrik (KRL) ". Seminar, Program Sarjana Jurusan Teknik Elektro Universitas Indonesia, Depok, 2014.
Endi Sopyandi. “Perancangan Single Tuned Filter Untuk Mereduksi Harmonik Arus Dengan Simulasi Program Etap Powerstation 5.0.3”. Jurnal. Teknik Elektro Universitas Indonesia, Depok.
