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
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
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%.
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%.
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.
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,
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
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
5.2 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
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
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 9Hzbermodulasi 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
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
4.6 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
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
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%.
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%.
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Tanur busur listrik (EAF = Electric Arc Furnace) merupakan beban non-linear bervariasi terhadap waktu menyebabkan harmonisa dan fluktuasi tegangan bila terhubung ke 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 [1].
Dengan sistem tegangan dan level daya yang tersedia, pemanfaatan daya pada pengoperasian EAF cukup mempengaruhi efisiensi dan produktivitas sehingga perlu untuk mendapatkan pengoperasian EAF dengan rata-rata daya peleburan yang tinggi persatuan waktu. Hal ini dapat dicapai bila tegangan PCC (Point of Common Coupling) dapat dijaga stabil.
Converter), memiliki respons dinamis yang cepat dan menjadikannya sebagai solusi yang efisien untuk meningkatkan kualitas daya pada sistem distribusi khususnya di PCC EAF.
Tabel 1.1 Perbedaan kapasitas EAF dan sistem kelistrikan yang telah dilakukan Issouribehere, P.E. et al, 2005 dan oleh penulis Item [Issouribehere, P.E. et
al, 2005]
Penelitian oleh penulis (awal 2010)
Kapasitas EAF 8Ton 35Ton
MWEAF (Daya peleburan) 2.5MW 18MW
Level daya peleburan 312kVA/Ton 514kVA/Ton
Siklus peleburan 120-180menit 55-65menit
Tegangan PCC 13.2kV 20kV
Transformator daya 60MVA 132/13.2kV 60MVA 150/20kV MVAFaultSisi TT 2200MVA 4411.5MVA
MVAFaultSisi TT/MWEAF 880 kali 245 kali
Rasio SCVD =
2xMWEAF /MVAFaultSisi TT
0.0023 0.0082
MVAFaultPCC 330 MVA 415MVA
MVAFaultPCC/MWEAF 132 kali 23 kali
Rasio SCVD = 2xMWEAF /MVAFaultPCC
0.015 0.0867
MVAFaultSB (steelwork
busbar)
180MVA 388.9MVA
MVAFaultSB/MWEAF 72 kali 21.6 kali
Rasio SCVD = 2xMWEAF /MVAFaultSB
0.028 0.093
Lokasi Buenos Aires
(Argentina)
Medan, Sumatera Utara (Indonesia)
Pengaruh pengoperasian EAF terhadap sistem sumber adalah:
1) Tegangan sumber jatuh akibat kebutuhan daya reaktif pada EAF dan berfluktuasi karena kebutuhan daya reaktif yang besar dan berubah cepat 2) Tegangan sumber tidak simetris karena arus yang tidak sama pada
masing-masing fasa
3) Bentuk tegangan sumber menjadi tidak sinusoidal karena terdistorsi oleh kehadiran arus harmonik
Penelitian dilakukan pada EAF no.1 kapasitas 35Ton, 18MW PT. Growth Sumatra Industry untuk mengkarakteristisasi pengoperasian EAF dan menentukan daya nominal DSTATCOM yang sesuai untuk mengurangi fluktuasi tegangan dan flicker. Tabel 1.1 adalah perbedaan kapasitas EAF dan sistem kelistrikan yang telah dilakukan oleh Issouribehere, P.E. et al, 2005 [3] dengan penelitian yang dilakukan penulis.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah maka dirumuskan permasalahan penelitian pada perusahaan peleburan baja PT. Growth SumatraIndustry di EAF no. 1 kapasitas 35Ton, 18MW sebagai berikut:
2) Bagaimana kompensasi daya reaktif mempergunakan DSTATCOM dapat mengurangi persentase fluktuasi tegangan (ΔV/Vbase)dan flicker pada sistem tenaga listrik sehubungan dengan pengoperasian EAF.
3) Bagaimana memodelkan EAF dan DSTATCOM memanfaatkan program
Matlab/Simulink PSB untuk memperlihatkan keefektifan DSTATCOM mengkompensasi daya reaktif mengatasi fluktuasi tegangan dan flicker pada pengoperasian EAF.
1.3 Batasan Masalah
Berhubung keterbatasan alat maka nilai flicker akan diberikan dengan estimasi mempergunakan formula empiris menurut standar Eropa CENELEC EN 50610 tentang karakteristik tegangan pada sistem distribusi umum. Dalam penelitian yang dilakukan ini, penulis memiliki sejumlah keterbatasan terutama waktu, biaya, tenaga dan kemampuan akademik, maka permasalahan penelitian dibatasi sebagai berikut:
1) Penelitian hanya difokuskan pada masalah mengurangi fluktuasi tegangan dan
flicker pada pengoperasian EAF no. 1 kapasitas 35Ton, 18MW di PT. Growth Sumatra Industry memanfaatkan DSTATCOM dan menonaktifkan seluruh kapasitor yang terpasang pada sisi TM
3) Masalah beban tidak seimbang pada pengoperasian EAF tidak dibahas. Kompensasi untuk fluktuasi beban tidak seimbang tiga fasa dapat dilakukan dengan kompensasi perfasa memakai kompensator DSTATCOM yang pengaturan tegangan keluarannya terpisah pada masing-masing fasa.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini pada perusahaan peleburan baja PT. Growth Sumatra Industry di EAF no.1 kapasitas 35Ton, 18MW adalah:
1) Untuk mendapatkan karakteristik pengoperasian EAF dan menentukan kapasitas DSTATCOM yang efektif untuk mengatasi fluktuasi tegangan dan
flicker dengan batas emisi flicker mengikuti standar ENRE 99/97.
2) Untuk mengetahui bagaimana kompensasi daya reaktif mempergunakan DSTATCOM dapat mengurangi persentase fluktuasi tegangan (
Δ
V
/
V
base)
pada sistem tenaga listrik di PCC.3) Untuk memodelkan EAF dan DSTATCOM dengan memanfaatkan program
Matlab/Simulink PSB dan memperlihatkan keefektifan DSTATCOM mengkompensasi daya reaktif mengatasi fluktuasi tegangan dan flicker.
1.5 Kegunaan Penelitian
dengan kompensasi daya reaktif berbasis FACTS untuk pengoperasian EAF pada PT. Growth Sumatra Industry.
2) Manfaat praktis, dapat memberikan masukan yang berarti bagi PT. Growth Sumatra Industry untuk meningkatkan efisiensi dan produktivitas melalui kompensasi daya reaktif yang memberikan kestabilan tegangan sehingga konversi daya menjadi lebih baik.
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan sebagai berikut:
Bab 1: Berisikan bab pendahuluan yang mengemukakan latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan kegunaan penelitian Bab 2: Berisikan tinjauan pustaka berkaitan dengan prinsip dan karakteristik
pengoperasian EAF, prinsip kerja VSC dan DSTATCOM Bab 3: Berisikan sistem kelistrikan PT. Growth Sumatra Industry
Bab 4: Merupakan metodologi penelitian berisikan teknik pengumpulan dan analisis data, pengujian kualitas data, estimasi nilai flicker, perhitungan daya nominal dan pemodelan DSTATCOM
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Prinsip Pengoperasian EAF (Electric Arc Furnace)
EAF untuk peleburan baja terdiri dari bejana dilapisi bahan refraktori untuk penampungan cairan besi, tutup yang dilapisi bahan refraktori dengan pendingin air, panel pendingin air dan elektoda grafit. Bahan refraktori adalah material non-metalik yang tahan terhadap temperatur lebih besar dari 538oC dan kekuatan strukturnya tidak berubah. Secara umum konstruksi EAF dapat dibagi menjadi 3 bagian yaitu: 1) Dinding pelindung (shell), terdiri dari dinding samping (sidewall) dan mangkuk
bawah (steel bowl)
2) Tungku (hearth), terdiri dari refraktori melingkupi mangkuk bawah 3) Tutup (roof), terdiri dari bahan refraktori dan panel pendingin air
Gambar 2.1 [4] adalah penampang EAF memperlihatkan model fisik EAF dengan 3 buah elektroda grafit yang bisa digerakkan vertikal ke atas dan ke bawah oleh aktuator hidrolik. Pada saat elektroda mengenai besi tua, akan timbul busur listrik dengan panas tinggi yang dapat melebur besi tua. Pengoperasian EAF untuk melebur besi tua akan melalui 3 perioda yang diperlihatkan pada Gambar 2.2 [4] dan Gambar 2.3 [4] yaitu:
1) Perioda mengebor (boring) yaitu proses mengebor besi tua pada permulaan peleburan
2) Perioda melebur (melting)
3) Perioda refining yaitu proses penyesuaian temperatur dan komposisi
Gambar 2.2 EAF yang sedang beroperasi (perioda mengebor dan melebur)
Secara umum konstruksi dan pengoperasian EAF adalah sebagai berikut:
2) Elektroda grafit terhubung ke transformator tanur melalui: a. kabel berpendingin air
b. busbar tembaga berpendingin air
3) Transformator tanur dilengkapi dengan OLTC (On Load Tap Changer) untuk mengatur tegangan sekunder
4) Arus peleburan pada elektroda grafit mulai puluhan kA hingga ratusan kA 5) Daya yang dikonversikan ke panas disesuaikan dengan tingkatan proses
peleburan dengan memilih tegangan sekunder transformator tanur dan jarak di antara elektroda grafit dengan besi tua (panjang busur listrik)
6) Arus peleburan dan jatuh tegangan adalah akibat berbagai faktor yaitu panjang busur listrik, level ionisasi dan interaksi gaya elektromagnetik [2]
2.2 Karakteristik EAF
Sumber tegangan rendah berkisar beberapa ratus volt diperoleh dari transformator tanur model OLTC dengan busbar pada sisi sekundernya yang dihubungkan ke elektroda memakai kabel berpendingin air. Gambar 2.4 [3] memperlihatkan tipikal level daya dan tahapan perioda peleburan untuk 1 siklus peleburan. Tampak bahwa setelah perioda mengebor & melebur pada permulaan operasi, tanur akan diisi dengan besi tua berikutnya dan perioda mengebor & melebur diulangi hingga proses refining. Beban EAF dapat berubah dari suatu rangkaian terbuka 3 fasa menjadi rangkaian hubung singkat 3 fasa. Pada kondisi operasi normal, fluktuasi tegangan yang tidak beraturan selalu terjadi sebagai konsekuensi dari perubahan panjang busur listrik. Fluktuasi tegangan yang berulang pada sistem tenaga perlu diatasi agar tidak memberikan dampak negatif kepada konsumen lain.
Perioda mengebor & melebur adalah penyebab utama fluktuasi tegangan dan
flicker yang dikarakterisasikan oleh besarnya perubahan daya aktif dan daya reaktif yang disebabkan variasi stokastik pada panjang busur listrik akibat permukaan besi tua yang tidak teratur. Perioda refining dikarakterisasikan oleh arus peleburan yang relatif stabil.
nominal yang lebih rendah sehingga konversi daya peleburan juga menjadi lebih rendah. 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 [1]. Tabel 2.1 memperlihatkan tipikal harmonisa tegangan pada pengoperasian EAF untuk perioda melebur dan refining [6].
Gambar 2.4 Tipikal level daya dan tahapan perioda untuk 1 siklus peleburan
Tabel 2.1 Tipikal tegangan harmonik pada perioda melebur dan refining
Harmonik ke: Perioda Melebur Perioda Refining
2 5.0% 2.0%
3 20.0% 10.0%
4 3.0% 2.0%
5 10.0% 10.0%
6 1.5% 1.5%
7 6.0% 6.0%
8 1.0% 1.0%
9 3.0% 3.0%
Analisa harmonisa dan flicker EAF pada sistem tenaga [1], [7] merumuskan karakteristik tegangan-arus melalui persamaan:
a at a I D C l V V + +
= ( ) (2.1)
di mana:
a
V
= tegangan busur listrika
I
= arus busur listrik l = panjang busur listrik)
(
l
V
at = nilai ambang di mana tegangan mulai berubah bila arus meningkatD
C, = konstanta yang nilainya menyatakan perbedaan di antara bagian peningkatan dan penurunan arus pada karakteristik tegangan-arus
Dengan referensi panjang busur listrik yang memberikan
V
at(
l
)
=
200
V
, nilai konstanta C dan D adalah:KA D KW C dt dI KA D KW C dt dI a a 5 , 39 , 0 5 , 190 , 0 = = ⇒ < = = ⇒ >
karakteristik tegangan-arus tidak tergantung kepada waktu dan pengoperasian EAF tidak akan menimbulkan flicker, tetapi hanya akan menimbulkan harmonisa karena sifat non-linear pada karakteristik tegangan-arus.
Gambar 2.5 Karakteristik tegangan–arus (V-I) dari EAF
Perubahan panjang busur listrik l sebagai penyebab flicker diberikan oleh persamaan:
)
(
)
(
a a0 aa
I
KV
I
V
=
(2.2)di mana
V
a0 adalah tegangan busur listrik dengan referensi panjang busur listrik (pada contoh ini referensi panjang busur listrik adalah l0=39.5cm).Persamaan (2.1) dapat dituliskan menjadi persamaan lainnya yaitu:
a at
a a
I D
C l
V I V
+ +
= ( )
)
( 0
Hubungan antara tegangan ambang
V
at dengan panjang busur listrik l adalah:Bl
A
l
V
at(
)
=
+
(2.4)di mana:
V
A≈40 adalah konstanta yang memperhitungkan penjumlahan jatuh tegangan anoda dan katoda
cm V
B ≈10 / adalah jatuh tegangan per unit panjang busur listrik
l adalah panjang busur listrik dalam cm, bervariasi pada rentang yang lebar tergantung kepada nilai tegangan ambang (untuk tegangan sekunder transformator tanur sebesar 600V, tegangan ambang Vat adalah
V V
V at 240
40 ≤ ≤ [7])
Parameter K pada persamaan (2.2) dapat dievaluasi melalui rasio antara tegangan ambang pada panjang busur aktual
V
at(
l
)
terhadap tegangan ambang pada panjang busur referensiV
at(
l
0)
yaitu:0 0) ( ) ( Bl A Bl A l V l V K at at ++ =
= (2.5)
Perubahan arus EAF yang cepat pada proses peleburan erat kaitannya dengan variasi panjang busur listrik yang tergantung kepada komposisi besi tua, pemakaian oksigen, gaya elektrodinamis dan posisi dari elektroda grafit. Panjang busur listrik dengan variasi waktu diberikan oleh persamaan:
)
(
)
(
t
l
0r
t
di mana:
0
l
adalah referensi panjang busur listrik (39.5cm) )(t
r adalah sinyal derau putih (white noise signal) pada rentang frekuensi 5÷20Hz di mana fluktuasi tegangan menghasilkan flicker dengan amplitudo bervariasi hingga maksimum deviasi panjang busur listrik (30.1cm) dari referensi panjang (39.5cm).
Resistansi busur listrik variasi waktu (time varying resistance) Rf(t) dapat
dihitung dari pembagian tegangan busur listrik yang dievaluasi Va(t) dengan arus busur listrik Ia(t) yang dituliskan oleh persamaan:
) (
) ( ) (
t I
t V t R
a a
f = (2.7)
di mana:
a
V
= tegangan busur listrika
I
= arus busur listrikGambar 2.6 [8] adalah aktual karakteristik dan model linear tegangan-arus dari EAF di mana tegangan busur pengapian vig dan tegangan busur pemadaman
v
ex ditentukan oleh panjang busur listrik selama pengoperasian EAF yaitu:1) Perioda pertama, jalur OA, tegangan busur listrik mulai menyala dari tegangan pemadaman -vex dan mencapai tegangan nyala vig. Saat tegangan
sebagai rangkaian terbuka dan arus busur listrik naik dari 0 menuju i1.
2) Perioda kedua, jalur AB, adalah permulaan proses peleburan di mana busur listrik terjadi dan tegangan jatuh secara eksponensial dari vigke
v
ex yang menaikkan konduktivitas dari busur listrik. Arus busur mengalami peningkatan dari i1 menjadi i2.3) Perioda ketiga, jalur BO, tegangan busur listrik mulai jatuh dan busur listrik mulai padam.
Gambar 2.6 Aktual karakteristik dan model linear tegangan-arus dari EAF untuk 1 siklus daya
Untuk itu kemiringan dari kurva tegangan-arus pada Gambar 2.6 dirubah ke fungsi sinusoidal dan resistansi busur listrik variasi waktu diberikan oleh persamaan:
)) sin( (
)
(t R l m t
Rf = f +
ω
f (2.8)di mana:
f
R adalah tahanan konstan dari EAF saat busur padam dan EAF dalam kondisi sebagai rangkaian terbuka
f
ω
adalah frekuensi flickerm adalah koefisien modulasi
Dengan demikian model beban dinamis dikaitkan terhadap efek tegangan ambang
Bl
A
l
V
at(
)
=
+
dapat dipertimbangkan sebagai: ))sin( 1
( )
(t V m t
Vat = at +
ω
f (2.9)Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen satu fasa EAF untuk memperkirakan karakteristik EAF
Pengaturan pada rangkaian Gambar 2.7 adalah:
1) Pergerakan vertikal elektroda grafit untuk mengatur panjang busur listrik 2) Pengaturan tegangan dengan merubah perubah tap transformator tanur untuk
mengatur tegangan
U
0Daya yang diberikan kepada beban sebagaimana Rf bervariasi, dibatasi oleh nilai
maksimum satu fasa yaitu:
X E P ph
2
2
1
max = (2.10)
Nilai Rf pada kondisi daya maksimum adalah:
X
R
Pmax=
(2.11)Arus pada kondisi daya maksimum adalah:
X E IP
2
Tegangan busur listrik adalah sama dengan jatuh tegangan pada X, keduanya
adalah sama dengan 2
E
(2.13)
Pengukuran pada titik 1 di lapangan diperlukan untuk mendapatkan nilai reaktansi
2 1,X
X dan SCVD (Short Circuit Voltage Depression).SCVD adalah rasio depresi tegangan hubung singkat yang menyatakan pengaruh flicker yang ditimbulkan pada pengoperasian EAF di mana nilai 0.02÷0.025 berada dalam acceptable zone, 0.03÷ 0.035 berada dalam borderline zone, dan di atas 0.035 adalah objectionable [9]. Perumusan SCVD diberikan oleh persamaan (2.14) dan Gambar 2.8 [9], [10] adalah grafik SCVD sebagai fungsi dari daya MWmax nominal EAF.
SCVD =
FaultPCC AF MaxRatingE
MVA xMW
2
(2.14)
[image:37.612.171.465.426.671.2]Bila ketiga buah elektroda dicelup ke dalam cairan besi, beban akan menjadi 3 fasa hubung singkat yang ekivalen dengan menjadikan Rf =0 seperti pada Gambar
2.7. Pada kondisi ini tegangan dan arus tiga fasa diukur pada titik 1. Pengujian hubung singkat ini adalah sangat diperlukan untuk memperkirakan karakteristik pengoperasian EAF dan akan diperoleh:
1) Reaktansi hubung singkat dari jaringan sumber adalah:
Ω − = cc cc I U U X1 0
(2.15)
2) Reaktansi transformator tanur, busbar tembaga, kabel fleksibel berpendingin air dan elektroda grafit adalah:
Ω = cc cc I U X2 (2.16)
3) Kapasitas hubung singkat steelwork busbar pada tegangan nominal UL adalah:
MVA X U S L sc 1 2
= (2.17)
4) Kapasitas hubung singkat EAF adalah:
MVA U
U U S
Sscf sc cc
0 0 −
= (2.18)
hasil perhitungan teoritis karakteristik EAF kapasitas 8Ton, 2.5MW yang diperoleh dari persamaan (2.10) s/d (2.18) dan dibandingkan dengan hasil pengukuran lapangan pada Gambar 2.10 [3] .
Gambar 2.9 Karakteristik pengoperasian EAF kapasitas 8Ton, 2.5MW
2.3 Fluktuasi Tegangan dan Flicker
Flicker adalah fluktuasi tegangan dengan perubahan amplitudo tegangan lebih dari 0.5% pada rentang frekuensi 3 ÷ 10Hz, menyebabkan ketidaknyamanan penglihatan dan memberikan efek psikologis pada manusia [11]. Fenomena flicker
merupakan sensasi (perasaan) yang dialami oleh penglihatan manusia terhadap perubahan yang cepat dari intensitas cahaya lampu pijar, menyebabkan sakit kepala dan lelah, dan akan dapat menimbulkan keluhan pelanggan listrik lain yang merasakannya. Gambar 2.11 [12] memperlihatkan flicker dengan frekuensi 9Hz
bermodulasi pada frekuensi fundamental.
Gambar 2.11 Flicker dengan frekuensi 9Hz bermodulasi pada frekuensi fundamental
[image:40.612.149.496.380.588.2]mendefenisikan metodologi dan spesifikasi dari instrumen untuk mengukur flicker, di mana hasil ukur tegangan sebuah bola lampu 60W, 230V ditapis dan diusahakan untuk menyamai fungsi transfer mata / otak manusia. Nilai flicker meter Pst=1
[image:41.612.130.517.320.599.2]menyebabkan 50% dari sekumpulan orang terganggu oleh flicker [5]. Maksimum sensitivitas untuk fluktuasi pencahayaan adalah pada 8.8Hz. Fluktuasi tegangan yang lebih lambat tidak terlalu mengganggu dan fluktuasi tegangan yang lebih cepat akan “dihaluskan” oleh otak manusia.
Gambar 2.12 Maksimum fluktuasi tegangan yang diizinkan [IEEE 519-1992]
Kriteria untuk mengevaluasi flicker [10] adalah: %Flicker = x100%
V V
base
Pada pengoperasian EAF, flicker berubah dari satu siklus ke siklus lainnya dan cukup tinggi selama perioda melebur, akan berkurang pada perioda refining
tergantung kepada beberapa parameter seperti misalnya kualitas dan jumlah besi tua, referensi operasi, jumlah oksigen yang diinjeksi, longsor besi tua dan lainnya [6].
Gambar 2.13 Hasil pengukuran flicker Pst selama satu minggu pada steelwork
busbar EAF 8Ton, 2.5MW
Gambar 2.13 [3], [15] memperlihatkan contoh hasil pengukuran flicker Pst
selama satu minggu pada steelwork busbar EAF 8Ton, 2.5MW dan statistik hasil pengukuran flickernya diperlihatkan pada Tabel 2.2. Batas emisi flicker diperlihatkan pada Tabel 2.3 menuruti standar ENRE 99/97 [16]. Gambar 2.14 [17] memperlihatkan besarnya perubahan daya reaktif yang mengakibatkan besarnya persentase fluktuasi tegangan yang ditimbulkan.
Tabel 2.2 Statistik hasil pengukuran flicker dari Gambar 2.13 Total Pengamatan selama 10 menit 1008
Pst95% 2.21
Pengamatan dengan Pst> 1 288
Tabel 2.3 Batas emisi flicker [ENRE 99/97] MV and HV users
(1KV <U ≤220KV)
K2=SL/Ssc
Individual Emission Limits (Pst)
005 . 0 2 ≤ K 0.37 01 . 0 005 .
0 <K2 ≤ 0.46
02 . 0 01
.
0 <K2 ≤ 0.58
03 . 0 02
.
0 <K2 ≤ 0.67
04 . 0 03
.
0 <K2 ≤ 0.74
2
04 .
0 < K 0.79
SL=MVA dari EAF SSC=Kapasitas hubung singkat pada titik pengamatan
Gambar 2.14 Perubahan daya reaktif dan fluktuasi tegangan yang ditimbulkan
Menurut standar Eropa CENELEC EN 50160 [18], flicker yang ditimbulkan oleh pengoperasian EAF dapat diestimasi dengan memakai formula empiris [3], [15] yaitu: sc scf st st S S x K
P 95% ≈ (2.20)
st
K
adalah koefisien keparahan flicker tanur busur, berkisar antara 40 hingga 7040
=
st
K
menyatakan kondisi tanur yang panas dengan campuran besi tua ataupun besi sponge dan besi panas70
=
st
K
menyatakan kondisi terburuk yaitu tanur beroperasi pada kondisi dingin dengan 100% besi tuascf
S adalah kapasitas hubung singkat EAF yang biasanya adalah dengan faktor 2
atau 2 kali lebih besar dari daya nominal transformator tanur [19]
sc
S adalah kapasitas hubung singkat pada titik pengamatan
Menurut standar IEC 61000-4-15 [14], rancangan flicker meter adalah berdasarkan pengaruh fluktuasi tegangan dari cahaya sebuah bola lampu pijar 60W pada tegangan 230VAC. Keluaran dari flicker meter mengandung dua nilai dasar yaitu:
1) Pst (keparahan flicker jangka pendek) yang diperoleh setiap rentang 10 menit.
Dengan demikian dalam satu hari terdapat 144 buah nilai sampel Pst. Nilai pu
dari Pst menyatakan keparahan flicker yang mendekati sama dengan flicker
yang tampak pada cahaya bola lampu pijar 60W, 230V.
2) Plt (keparahan flicker jangka panjang) yang dihitung dari 12 buah nilai Pst
(setara dengan 2 jam) berturut-turut dengan memakai formula:
3 12
1 3
12 1
∑
==
j j
lt Pst
2.4 Prinsip Kerja DSTATCOM
DSTATCOM terhubung ke sistem distribusi melalui kopling reaktansi. Bila tegangan konverter yang dibangkitkan lebih besar dari tegangan sistem, maka akan mengalir arus kapasitif dari DSTATCOM ke sistem dan menghasilkan daya reaktif kapasitif (disebut pembangkit daya reaktif). Sebaliknya bila tegangan konverter lebih rendah dari tegangan sistem, maka akan mengalir arus induktif dari sistem ke DSTATCOM dan menghasilkan daya reaktif induktif (disebut penyerap daya reaktif).
Gambar 2.15 Tipikal karakteristik V-I dan V-Q dari DSTATCOM
DSTATCOM mempunyai karakteristik V-I dan V-Q seperti diperlihatkan pada Gambar 2.15 [20], [21] dan disimpulkan sebagi berikut:
2) VAR maksimum yang dibangkitkan ataupun yang diserap berubah secara linear dengan tegangan sistem.
3) Ketidaktergantungan keluaran DSTATCOM dari ekivalen impedansi sistem memberikan arti bahwa regulator pengatur keluaran tegangan DSTATCOM dapat dirancang untuk respons yang lebih cepat dan dapat memberikan regulasi yang stabil pada kondisi sistem mengalami kontigensi.
Diagram satu garis DSTATCOM untuk suplai daya reaktif ke sistem distribusi diperlihatkan pada Gambar 2.16 [20] di mana U adalah tegangan pada steelwork busbar dan Ec adalah tegangan keluaran konverter yang dapat diatur. Pertukaran daya
aktif dan daya reaktif pada jaringan [20], [21] adalah (Lampiran B):
) sin( .
δ X
E U
PDSTATCOM= c (2.22)
)) cos( (U Ec δ
X U
QDSTATCOM = − (2.23)
di mana:
δ
adalah beda sudut fasa antara U dan EcBila amplitudo
E
cdari phasor tegangan keluaran (Ec)•
dinaikkan lebih besar dari
amplitudo U dari tegangan sistem AC (U•), maka phasor arus mendahului phasor tegangan dan arus mengalir dari konverter ke sistem AC. Pada kondisi ini konverter membangkitkan daya reaktif (kapasitif). Sebaliknya bila amplitudo
E
cdari phasortegangan keluaran (Ec)
•
diturunkan sehingga lebih kecil dari amplitudo U dari
[image:47.612.247.393.392.509.2]tegangan sistem AC (U•), maka phasor tegangan mendahului phasor arus dan arus mengalir dari sistem AC ke konverter. Pada kondisi ini konverter menyerap daya reaktif (induktif) dari sistem. Operasi ini diillustrasikan pada Gambar 2.17 [20].
Gambar 2.17 Sifat kapasitif dan induktif dari DSTATCOM
Persamaan pendekatan untuk memperkirakan daya nominal DSTATCOM pada EAF [20] adalah:
EAF rated
S x FI x
QDSTATCOM =0.54 ( ) (2.24)
FI adalah rasio perbaikan flicker (Flicker Improvement ratio), merupakan rasio antara flicker yang terjadi dengan batas nilai flicker yang diizinkan
scf EAF
rated s d x S
S =(0.55 / 0.65) , adalah daya nominal EAF
scf
S adalah kapasitas hubung singkat dari EAF
2.5 Komponen DSTATCOM
Gambar 2.18 Rangkaian dasar VSC (Voltage Source Converter)
Gambar 2.18 [21] adalah rangkaian dasar DSTATCOM yang merupakan suatu VSC yang terdiri dari satu atau lebih unit konverter, kapasitor dc, reaktor, transformator, ac filter, kontrol modul, monitoring, proteksi dan peralatan pendukung lainnya.
2.6 VSC 6 Pulsa
diganti dengan transistor IGBT. Saklar transistor IGBT berfungsi sebagai inverter dan dioda antiparalel diperlukan sebagai jalur transfer energi dari sisi ac ke dc untuk mengisi kapasitor. Ada perioda penyearah dan inversi pada setiap perioda. Proses penyaklaran yang tepat pada inverter akan menghasilkan gelombang tegangan ac 3 fasa pada terminal tegangan keluaran konverter.
Penyaklaran inverter dapat dilakukan pada konduksi 120o atau 180o. Untuk konduksi 180o ada tiga buah saklar yang nyala pada setiap waktu, memiliki utilisasi saklar yang lebih baik dan lebih disukai dibandingkan dengan metode konduksi 120o. Pada konduksi 180o ada 6 mode operasi dalam satu siklus dengan durasi setiap mode adalah 60o dan saklar dinomori dengan urutan penyaklarannya yaitu 123, 234, 345, 456, 561 dan 612 [22]. Pada peralihan cepat di mana saat saklar bekerja, praktisnya tegangan dc pada kapasitor harus dijaga konstan. Gambar 2.20 [22] dan Gambar 2.21 [22] memperlihatkan metode konduksi 180o pada inverter 6 pulsa dan bentuk gelombang tegangan keluarannya.
Gambar 2.20 Inverter 6 pulsa konduksi 180o
2.7 Teknik Modulasi Lebar Pulsa (PWM)
Pengaturan tegangan keluaran yang sangat fleksibel dari VSC adalah memanfaatkan penyaklaran frekuensi tinggi dengan teknik modulasi lebar pulsa (PWM) pada sumber tegangan dc konstan, kemudian diambil rata-rata dari bentuk gelombang tegangan keluaran untuk mendapatkan komponen fundamental tegangan yang dapat diatur magnitudonya. Teknik PWM memberikan keuntungan di mana harmonisa orde rendah berkurang sehingga akan mengurangi jumlah harmonisa dan filter harmonik. Semakin tinggi rasio frekuensi penyaklaran terhadap frekuensi fundamental maka semakin sedikit harmonisa orde rendah yang muncul. Tetapi hal ini juga menyebabkan rugi-rugi penyaklaran bertambah.
Beberapa teknik PWM adalah sebagai berikut [22]: 1) Single-pulse-width modulation
2) Multiple-pulse-width modulation
3) Sinusoidal-pulse-width modulation (SPWM) 4) Modified SPWM
5) Phase-displacement control
2.7.1 Single-pulse-width modulation
segi-empat (rectangular) beramplitudo Ar terhadap sinyal segi-tiga pembawa (triangular
carrier) beramplitudo Ac. Frekuensi sinyal referensi menentukan frekuensi
fundamental tegangan keluaran Vo. Rasio Ar terhadap Ac adalah merupakan variabel
pengaturan dan disebut indeks modulasi M, menentukan tegangan keluaran Vo.
c r
A A
M = (2.30)
Dengan merubah nilai Ar dari nol hingga Ac, lebar pulsa
δ
dapat berubah dari 0ohingga 180o dan tegangan rms keluaran Vo bervariasi dari nol hingga Vs yaitu:
π δ ω π δ π δ
π s s
o V d t V
V = ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ =
∫
−+ 2 / 1 2 / ) ( 2 / ) ( 2 ) ( 2 2 (2.31)Gambar 2.22 [22] adalah inverter satu fasa jembatan penuh yang terdiri dari 4 buah transistor dengan sumber tegangan Vs, dan Gambar 2.23 [22] adalah sinyal
gating dan tegangan keluaran Vo. Urutan penyaklaran transistor adalah 12, 23, 34 dan
41. Harmonina yang dominan muncul pada tegangan keluaran adalah harmonisa ketiga.
Gambar 2.23 Sinyal gating dan tegangan keluaran inverter single-pulse-width modulation 1 fasa
2.7.2 Multiple-pulse-width modulation
Kandungan harmonisa dapat dikurangi dengan memberikan beberapa pulsa pada setiap setengah siklus. Gambar 2.24 [22] memperlihatkan bahwa sinyal gating
dibangkitkan dengan membandingkan sinyal referensi segi-empat beramplitudo Ar
terhadap sinyal segi-tiga pembawa beramplitudo Ac. Frekuensi dari sinyal referensi
menentukan frekuensi keluaran fo, dan frekuensi pembawa fc menentukan jumlah
pulsa p untuk setiap setengah siklus. Rasio Ar terhadap Ac merupakan variabel
pengaturan dan disebut indeks modulasi M, menentukan tegangan keluaran Vo. Tipe
2 2
f o
c m
f f
p= = (2.32)
di mana
o c f
f f
m = adalah rasio frekuensi modulasi.
Bila
δ
adalah lebar dari setiap pulsa maka tegangan rms keluaran Vo adalah: πδ ω π δ π δ π p V t d V pV p s
p s
o =⎢⎣⎡
∫
⎥⎦⎤ =+ − 2 / 1 2 / ) / ( 2 / ) / ( 2 ) ( 2 2 (2.33)
2.7.3 Sinusoidal PWM (SPWM)
Berbeda dengan teknik UPWM, pada SPWM lebar pulsa sinyal gating dibangkitkan dengan membandingkan sinyal referensi sinusoidal terhadap sinyal segitiga pembawa berfrekuensi fc yang diperlihatkan pada Gambar 2.25 [22]. Teknik
SPWM sangat umum dipergunakan pada aplikasi industri. Frekuensi sinyal referensi
fr menentukan frekuensi keluaran inverter fo, dan amplitudo sinyal referensi Ar
menentukan indeks modulasi M yang mempengaruhi tegangan rms keluaran Vo.
Jumlah pulsa untuk setiap setengah siklus tergantung pada frekuensi pembawa. Gambar 2.25d memperlihatkan sinyal gating yang dibangkitkan memanfaatkan gelombang segi-tiga pembawa yang unidirectional. Harmonisa pada tegangan keluaran PWM berada di sekitar frekuensi penyaklaran inverter dan kelipatannya. Tegangan rms keluaran Vo dapat divariasi mengan merubah indeks modulasi M. Bila
m
δ adalah lebar dari pulsa ke m, maka persamaan (2.33) dapat dikembangkan untuk mendapatkan tegangan rms keluaran Vo yaitu:
2 / 1 2 1 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ =
∑
= p m m s o V V π2.7.4 Modified SPWM (MSPWM)
[image:57.612.141.497.359.604.2]Pada SPWM Gambar 2.25c, lebar pulsa pada puncak gelombang sinus tidak merubah variasi indeks modulasi secara signifikan karena karakteristik gelombang sinus. Teknik SPWM dimodifikasi sehingga sinyal pembawa hanya diberikan pada 0o-60o dan 120o-180o untuk setiap setengah siklus menyebabkan komponen fundamental bertambah dan kandungan harmonisa menurun. Jumlah penyaklaran berkurang sehingga rugi-rugi penyaklaran juga berkurang. Sinyal gating MSPWM diperlihatkan pada Gambar 2.26 [22].
2.8 Inverter SPWM 3 Fasa
Inverter 3 fasa dapat dipertimbangkan sebagai gabungan 3 buah inverter 1 fasa di mana tegangan keluaran masing-masing inverter 1 fasa tersebut digeser 120o. Pembangkitan sinyal gating inverter SPWM 3 fasa diperlihatkan pada Gambar 2.27 [22]. Ada 3 sinyal referensi sinusoidal (vra, vrb, vrc) yang berbeda 120o. Sinyal
pembawa dibandingkan dengan sinyal referensi terkait untuk menghasilkan sinyal
gating pada fasa tersebut. Sinyal pembawa vcr dibandingkan dengan sinyal referensi
fasa vra, vrb dan vrc menghasilkan sinyal gating berturutan g1, g3 dan g5. Tegangan rms
fasa-fasa keluaran inverter adalah fungsi dari tegangan dc bus dan indeks modulasi (M) yang diberikan oleh persamaan:
s s
abrms x xV Mx xV
M
V 0.612
2 3
2 =
[image:58.612.143.509.398.682.2]= (2.35)
2.9 Diagram Satu Garis Sistem Tenaga EAF & DSTATCOM
Gambar 2.28 [20] memperlihatkan suatu sistem tenaga dengan impedansi Zs = RS +
jXS terhubung ke PCC dengan sumber tegangan
E
s∠
0
. Tegangan pada steelwork [image:59.612.225.434.312.527.2]busbar adalah U∠ψ dan beban EAF adalah Pf + jQ f yang bervariasi terhadap waktu. Fluktuasi tegangan karena kebutuhan daya reaktif diatasi dengan kompensasi daya reaktif secara penuh oleh DSTATCOM.
Gambar 2.28 Diagram satu garis DSTATCOM dan EAF
2.10 Model Matlab/Simulink PSB Untuk Sistem Distribusi Utiliti dan EAF
Model simulasi digital jaringan distribusi dilakukan dengan mempergunakan
Gambar 2.29 Model Matlab/Simulink PSB sistem distribusi untuk utiliti, EAF dan DSTATCOM
Kompensasi daya reaktif pada VSC membutuhkan kapasitor dc sebagai sumber tegangan. Untuk mengatur tegangan pada kapasitor dc, perlu adanya aliran daya aktif secukupnya dari sumber menuju inverter untuk mengisi kapasitor dc. Tanpa adanya aliran daya aktif ini, tegangan kapasitor dc akan turun karena rugi-rugi penyaklaran dan rugi-rugi daya aktif pada reaktansi kopling. Penyaklaran dapat dilakukan pada komponen elektronika daya seperti GTO (Gate Turn Off thyristor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) dan lainnya. Ada dua strategi pengaturan tegangan ac keluaran inverter yaitu:
2) Tegangan kapasitor dc divariasi dan indeks modulasi penyaklaran dijaga konstan. Perubahan aliran daya aktif antara inverter dengan sistem ac menyebabkan tegangan kapasitor naik ataupun turun sehingga akan merubah tegangan ac keluaran inverter. Respons waktu pada strategi ini agak lambat sebab dipengaruhi oleh nilai reaktansi kopling dan kapasitansi kapasitor dc.
Di dalam blok DSTATCOM pada gambar 2.29 terdapat blok pengatur DSTATCOM yang terdiri dari beberapa fungsional blok seperti diperlihatkan pada Gambar 2.30 [23] dengan fungsi masing-masing blok yaitu:
1) PLL (Phase Locked Loop)
Diperlukan untuk menyinkronisasikan komponen fundamental tegangan 3 fasa V1 pada perpotongan nol (zero crossing). Sudut
θ
=ω
t hasilperhitungan PLL dipergunakan sebagai referensi untuk transformasi abc_ dq0. 2) Sistem pengukuran (ac voltage measurement dan ac current measurement)
Blok pengukuran tegangan dan arus 3 fasa untuk menghitung komponen d
(poros langsung) dan komponen q (kuadratur) memanfaatkan transformasi
abc_ dq0.
3) Regulator tegangan ac (ac voltage regulator)
Keluaran regulator tegangan ac adalah arus referensi Iqref untuk regulator arus
Iq yaitu arus yang kuadratur terhadap tegangan untuk mengatur aliran daya
4) Regulator tegangan dc (dc voltage regulator)
Keluaran dari regulator tegangan dc adalah arus referensi Idref untuk regulator
arus Id yaitu arus yang sefasa dengan tegangan untuk mengatur aliran daya
aktif
5) Regulator arus (current regulator)
Sinyal error dari Id dan Idref melalui pengatur PI menghasilkan tegangan Vd.
Sinyal error dari Iq dan Iqref melalui pengatur PI menghasilkan tegangan Vq.
Regulator arus mengatur magnitudo dan fasa dari tegangan Vd dan Vq.
6) PWM modulator
Indeks modulasi (M) dan sudut fasa tegangan (phi) yang diperlukan oleh inverter untuk menghasilkan tegangan 3 fasa Vabc(t) diperoleh dari transformasi
rectangular ke polar dari komponen tegangan Vd dan Vq. Tegangan rms
BAB 3
SISTEM KELISTRIKAN PT. GROWTH SUMATRA INDUSTRY
3.1 Sistem Kelistrikan PT. Growth Sumatra Industry
[image:64.612.121.510.336.567.2]PT. Growth Sumatra merupakan salah satu pelanggan TT (Tegangan Tinggi) tarif I-4 PT. PLN (Persero) Wilayah Sumatera Utara dengan sistem kelistrikannya diperlihatkan pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Diagram satu garis sistem kelistrikan PT. Growth Sumatra Industry, Januari 2010
Sumber tegangan disuplai dari Gardu Induk Mabar model GIS (Gas Insulated Switchgear) melalui 1 buah transformator daya 60MVA, 150/20kV. Tegangan 20kV
(Tegangan Menengah) NA2XSEBY sejauh (200 + 30)meter dan HUTM (Hantaran Udara Tegangan Menengah) AAAC sejauh 570meter. Bus utama TM dari gardu distribusi ini adalah PCC. Dari PCC ini tegangan 20kV didistribusikan ke steelwork busbar EAF no.1 melalui kabel TM N2XSY sepanjang 360meter. Ada terpasang 4 unit EAF kapasitas 35Ton, 18MW dilengkapi dengan kapasitor dan reaktor sebagai kompensator filter daya pasip pada sisi TM untuk mengurangi harmonik ke 2, 3, 4 dan 5. Pada kondisi operasi normal, keseluruhan filter daya pasip ini diaktifkan.
Kebutuhan sumber tegangan lainnya dengan total beban berkisar 10MW yaitu untuk:
1) LF (Ladle Furnace), transformator 2x5MVA, 20kV/170V
2) Gilingan (Rolling Mill) transformator 4MVA, 5MVA dan 6MVA, 20/3.3kV 3) TR (Tegangan Rendah) transformator 5x1250kVA, 20kV/400V
Untuk memenuhi pasokan daya kebutuhan pengoperasian secara keseluruhan, PT. Growth Sumatra Industry telah mengoperasikan 1 unit PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap) 15MW, 10.5kV berbahan bakar biomassa. Tegangan keluaran turbin generator ini dinaikkan menjadi 20kV dengan transformator 18MVA, 10.5/20kV dan diparalelkan ke sistem PLN di PCC dengan kordinasi ke PT. PLN (Persero) Unit Pengatur Beban Sumatera Bagian Utara melalui radio komunikasi.
3.2 Kompensasi Daya Reaktif Untuk Mengurangi Fluktuasi Tegangan
Metode dasar untuk mengurangi fluktuasi tegangan dan flicker pada pengoperasian EAF dapat dikategorikan menjadi tiga bagian [24] yaitu:
1) Mengatur komponen pasip dari sistem EAF yaitu menambah reaktansi seri pada sumber tegangan sehingga mengurangi arus hubung singkat. Walaupun hal ini dapat mengurangi flicker, reaktansi seri ini juga mengurangi suplai daya.
2) Kompensasi daya reaktif dengan kombinasi thyristor dan komponen pasip misalnya SVC (Static Var Compensator) yang mampu memperbaiki kualitas daya. SVC memiliki kekurangan yaitu respons yang tidak terlalu cepat dalam menanggapi flicker karena performansi dinamisnya yang terbatas.
Pergeseran fasa antara tegangan dan arus yang disebabkan oleh induktansi transformator tanur dan induktansi kabel mengakibatkan munculnya komponen reaktif induktif pada sistem. Hanya komponen resistif dari daya pada busur listrik yang akan dikonversi menjadi panas untuk peleburan. Komponen arus reaktif tidak dapat dihindari dan merupakan tambahan beban bagi sumber.
Pengaruh kompensasi dinamis daya reaktif terhadap fluktuasi tegangan dan flicker
sebagai akibat pengoperasian EAF adalah:
1) Nilai tegangan sumber lebih stabil dan konsumen lain yang terhubung pada PCC tidak merasakan fluktuasi tegangan dan flicker
2) Dengan nilai tegangan sumber yang stabil, transformator tanur akan beroperasi pada tegangan nominalnya sehingga memberikan konversi daya yang lebih baik
3) Konversi daya yang lebih baik akan menyebabkan waktu peleburan menjadi lebih cepat
4) Waktu peleburan yang lebih cepat berarti mengurangi rugi-rugi kehilangan panas sehingga meningkatkan efisiensi dan produktivitas
BAB 4
METODOLOGI PENELITIAN
4.1 Teknik Pengumpulan Data
1) Untuk mengetahui karakteristik dari EAF no.1 kapasitas 35Ton, 18MW, PT. Growth Sumatra Industry, pengukuran data listrik dilakukan pada steelwork busbar 20kV EAF no.1 seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.1. Melalui transformator tegangan 20kV/100V dan transformator arus 800/5/5A 5P20, pengambilan data dilakukan dengan mempergunakan alat ukur digital power meter PM810 (merk Telemecanique). Komunikasi data dari digital power meter PM810 ke komputer dilakukan melalui konverter RS485/USB. Paket data komunikasi ini ditampilkan dalam bentuk grafik secara langsung memakai program Citect Scada dan data disimpan pada cakram keras komputer. Parameter yang diambil adalah tegangan, arus, faktor daya, daya aktif, daya reaktif dan daya kompleks. Pembacaan arus hubung singkat adalah melalui relai proteksi arus lebih Sepam 1000+T20.
2) Kapasitas hubung singkat pada Gardu Induk Mabar dibutuhkan untuk menghitung impedansi sumber pada PCC dan impedansi pada terminal
impedansi transformator daya 60MVA dan impedansi transformator tanur akan diambil dari plat nama masing-masing. Data impedansi saluran AAAC untuk HUTM dan impedansi kabel TM NA2XSEBY & N2XSY diperoleh dari pabrikan kabel.
Gambar 4.1 Sistem kelistrikan EAF1 untuk pengukuran lapangan 4.2 Teknik Analisis Data
1) Paket data hasil pengukuran PM810 yang tersimpan pada cakram keras komputer diambil dan dipilah untuk mendapatkan 1 siklus peleburan pengoperasian EAF no.1. Untuk rentang waktu yang sama akan diperlihatkan:
a. Grafik pembebanan total daya 3 fasa MW, MVAR & MVA
Secara visualisasi, grafik ini memberikan gambaran kompensasi daya reaktif yang perlu dilakukan serta fluktuasi tegangan yang terjadi karena pengoperasian EAF.
2) Berdasarkan informasi data kapasitas hubung singkat Gardu Induk Mabar dan data impedansi jaringan, akan dihitung kapasitas hubung singkat masing-masing titik yaitu pada:
a. Bus B1 (terminal sekunder transformator daya 60MVA, 150/20kV) b. Bus B2 (PCC 20kV yang terhubung EAF no.1)
c. Bus B3 (steelwork busbar, terminal primer transformator tanur) d. Bus C (terminal sekunder transformator tanur EAF1)
Hasil perhitungan ini dibutuhkan untuk mendapatkan rangkaian ekivalen satu fasa EAF dengan sistem sumbernya seperti pada Gambar 2.7 dan akan dibuat karakteristik pengoperasian EAF no.1 kapasitas 35Ton, 18MW.
3) Berdasarkan data hasil pengukuran dan hasil perhitungan yang diperoleh akan diestimasi nilai flicker mempergunakan formula empiris dan dihitung propagasi flicker dan rasio perbaikan flicker (FI) untuk menentukan daya nominal DSTATCOM.
4) Model sistim kelistrikan EAF dan kompensator DSTATCOM memakai program Matlab/Simulink PSB akan dibuat dan disimulasikan.
![Gambar 2.12 Maksimum fluktuasi tegangan yang diizinkan [IEEE 519-1992]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/299069.26451/41.612.130.517.320.599/gambar-maksimum-fluktuasi-tegangan-yang-diizinkan-ieee.webp)
