DESAIN PENGGUNAAN FILTER AKTIF SERI BERBASIS FUZZY POLAR UNTUK MENGURANGI HARMONISA PADA PT TABANG COAL

(1)

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 1 dari 7 halaman

DESAIN PENGGUNAAN FILTER AKTIF SERI BERBASIS FUZZY POLAR

UNTUK MENGURANGI HARMONISA PADA PT TABANG COAL

I Wayan Adi Harimbawa

Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus Keputih-Sukolilo, Surabaya-60111, Email : adi_cyberpunk@yahoo.co.id

Abstrak :

Saat ini beban pada sistem distribusi tenaga listrik bukan saja bersifat induktif, tetapi juga memiliki sifat non linear yang menimbulkan gangguan yakni harmonisa arus dan juga tegangan. Salah satu cara untuk mengatasi masalah harmonisa ini adalah dengan menggunakan filter aktif seri.

Pada tugas akhir ini direncanakan dan disimulasikan dari filter aktif seri berbasis fuzzy polar pada PT Tabang Coal. Filter aktif seri berfungsi sebagai impedansi besar untuk menghalangi arus harmonisa yang mengalir dari beban menuju sumber. Dengan demikian harmonisa yang ada pada sistem dapat diminimalkan. Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa THD tegangan sumber mengalami penurunan yang signifikan, yaitu dari 34% menjadi 0.05% dan THD arus sumber menurun dari 41.5% menjadi 6.5%.

Kata kunci : Harmonisa, Filter Aktif Seri, Fuzzy Polar

I. PENDAHULUAN

Pada saat ini, penggunaan beban listrik bersifat induktif dan peralatan listrik yang berbasis elektronika daya berkembang pesat, karena mempunyai effisiensi yang tinggi dan perancangannya lebih kritis atau sesuai kebutuhan. Peralatan yang berbasis elektronika daya merupakan peralatan yang di dalamnya mengandung komponen-komponen semiconductor switch seperti dioda, thyristor, atau TRIAC yang saat ini dapat kita temui hampir di seluruh peralatan elektronik misalnya UPS, AC, atau lampu hemat energi yang akan menyerap arus yang mempunyai bentuk gelombang tidak sinusoidal dan biasa disebut beban nonlinear.

Penggunaan beban nonlinear akan menginterferensi gelombang fundamental dan amplitudo dari arus maupun tegangan sehingga menjadi tidak sinusoidal lagi dan hal ini biasa disebut harmonisa. Jika harmonisa terjadi pada suatu sitem melebihi batas yang diijinkan akan menyebabkan beberapa masalah, antara lain pemanasan pada kawat netral dan transformator, kesalahan pada sistem proteksi, kerusakan pada capasitor bank, penyimpangan penunjukkan alat ukur, dan menimbulkan rugi-rugi pada transmisi tenaga listrik. Penggunaan filter

untuk meredam harmonisa semakin banyak digunakan salah satunya adalah pada jaringan distribusi primer dengan penggunaan filter aktif seri [1].

II. TEORI PENUNJANG

2.1 Filter Aktif

Tujuan utama dari filter harmonisa adalah untuk mereduksi amplitudo frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Dengan penambahan filter harmonisa pada suatu sistem tenaga listrik yang mengandung sumber-sumber harmonisa, maka penyebaran arus harmonisa ke seluruh jaringan dapat ditekan sekecil mungkin. Secara umum filter harmonisa pada sistem tenaga listrik dibedakan menjadi dua macam, yaitu filter pasif dan filter aktif.

Prinsip dari sebuah filter aktif adalah membangkitkan arus atau tegangan yang sesuai dengan bentuk sinyal harmonisa pada sistem tetapi berbeda fase 180o sehingga penjumlahan total adalah nol, dengan konsep inilah hamonisa pada sistem dapat di reduksi. Untuk membangkitkan arus atau tegangan kompensasi yang sesuai (mendekati) komponen harmonisa digunakan inverter. Filter aktif dapat dipasang paralel ataupun seri dengan sumber.

Filter aktif merupakan tipe baru untuk peralatan filter eliminasi harmonisa dalam sistem tenaga. Filter ini disusun dari peralatan berbasis elektronika daya. Banyak metode yang telah dikembangkan oleh para pakar elektronika daya untuk mengeliminasi harmonisa dalam sistem tenaga dengan menggunakan filter aktif. Berikut ini pemakaian umum dari filter aktif dalam sistem tenaga.

Gambar 1 Pemakaian Filter Aktif

Sebuah filter aktif ditunjukkan dalam Gambar 2, pensaklaran diatur sehingga kapasitor berfungsi sebagai sumber tegangan untuk menyerap dan membangkitkan perubahan arus pada sisi AC.

(2)

Gambar 2 Filter Aktif dengan Menggunakan Inverter Sumber Tegangan

Peralatan switching yang digunakan untuk filter aktif dapat berupa mosfet, IGBT, transistor daya, GTO, PWM (Pulse Width Modulation) dan memerlukan pensaklaran antara peralatan dan juga periode arus nol. Untuk mengeliminasi harmonisa frekuensi tinggi yang terkandung dalam PWM, filter inductor dan kapasitor diletakkan pada sisi AC. Kapasitor pada sisi AC juga berperan sebagai jalur arus ketika peralatan disaklarkan.

2.2 Voltage Source Inverter (VSI)

Single Phase VSI adalah iverter yang paling sederhana sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 3. Single Phase VSI terdiri dari 2 saklar (switcing device) S1, S2 dan 2 dioda antiparalel D1 dan D2 sebagai jalan arus untuk kembali ke sisi DC apabila diperlukan. Prinsip kontrol pada single phase VSI adalah seperti pada Gambar 4.

Gambar 3 Single Half Bridge Phase VSI

Gambar 4 Tegangan Keluaran Dan Arus Konduksi

Untuk sistem tiga fasa digunakan sebuah VSI tiga fasa yang terdiri dari 6 switch dan 6 dioda antiparalel seperti pada Gambar 5.

Gambar 5 VSI Tiga Fasa

Kontrol PWM pada VSI tiga fasa mirip dengan VSI satu fasa , hanya saja pada VSI tiga fasa diperlukan 3 buah sinyal referensi yang masing masing mempunyai beda fase 120o.

III. PEMODELAN SISTEM MENGGUNAKAN MATLAB SIMULINK 7.1

3.1 Sumber Harmonisa pada PT Tabang Coal

PT Tabang Coal memiliki 17 motor yang masing-masing terhubung dengan VSD (Variable Speed Drive). VSD ini merupakan sumber harmonisa utama. Ini dapat dibuktikan dengan tidak terjadinya distorsi tegangan pada saat simulasi tanpa VSD dengan menggunakan ETAP.

(3)

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 3 dari 7 halaman Pada salah satu contoh Bus MCC3, THDv dan THDi

dapat bernilai hingga 45.53% dan 77.09% karena adanya pemasangan VSD. Data harmonisa pada tiap VSD didapatkan dari hasil pengukuran menggunakan Fluke pada sistem PT. Tabang Coal. Data yang telah dikumpulkan kemudian dimasukkan ke dalam library ETAP dalam bentuk sumber arus. Salah satu contoh bentuk data library VSD pada ETAP dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1 Data Library VSD

Orde %Magnitudo Orde %Magnitudo

2 2.8 11 24.1 3 1.9 12 0.5 4 1.9 13 13.9 5 72.8 14 0.6 6 1.5 15 0.6 7 54.2 17 9.7 8 0.8 19 8.0 9 1.2 23 5.6 10 0.8 25 4.6

Data yang digunakan pada simulasi Matlab 7.1 berasal dari hasil simulasi Harmonic Analysis menggunakan ETAP. Beban MCC1, MCC2, dan MCC3 dipilih karena merupakan penghasil harmonisa terbesar pada PT Tabang Coal. Ini disebabkan karena seluruh VSD yang merupakan sumber harmonisa utama berada di dalam Bus tersebut.

3.2 Filter Aktif Seri

Menghubungkan sumber dengan beban non linear melalui matching transformer satu fasa dan dilengkapi dengan low pass filter (LC) untuk mengurangi harmonisa yang ditimbulkan dari penggunaan PWM pada inverter. Filter aktif seri dipasang diantara trafo dan beban non-linier agar trafo tidak terkena dampak dari adanya munculnya harmonisa. Skema simulasi pemasangan filter aktif seri dengan menggunakan Matlab 7.1 dapat dilihat pada Gambar 7.

Gambar 7 Pemasangan Filter Aktif Seri

3.3 Rangkaian Kontrol

Gambar 8 menunjukkan bahwa pengukuran arus pada bus C diperlukan untuk penentuan besar dan jenis tegangan harmonisa yang akan diinjeksikan oleh filter aktif seri ke sistem jaringan distribusi.

Pengubahan besaran abc menjadi αβ0 memberikan kemudahan pada sisi sistem kontrolnya dan hasil yang baik didalam memberikan kompensasi harmonisa. Perubahan arus dalam besaran abc ke bentuk koordinat

αβ0 dapat diperoleh dengan Pers. 1 :

                              − − − = c i b i a i i i i . 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 . 3 2 β α ο (1) h f

i

_α

=

_α

+

_α (2) h f

i

_β

=

_β

+

_β (3)

iαf merupakan arus fundamental dari iα, dan iαh adalah arus harmonisa dari iα. Sedangkan iβf merupakan arus fundamental dari iβ, dan iβh adalah arus harmonisa dari iβ. Untuk mendapatkan arus harmonisa dari masing-masing arus iα dan iβ digunakan High Pass Filter (HPF)[1], seperti ditunjukan pada Gambar 9. Model sistem kontrol yang ditunjukkan pada Gambar 10 merupakan isi detail dari blok diagram kompensator harmonik pada Gambar 8. Besar arus harmonisa yang akan dikompensasi diperoleh dengan membandingkan arus harmonisa iαh, iβh dan i0 dengan arus referensi iαhref dan iβhref sehingga diperoleh sinyal error i*αh dan i

*

βh, seperti ditunjukkan pada Pers. 4 dan 5:

h href

i

*α

=

α

−

α (4) h href

i

*β

=

β

−

β (5)

Gambar 8 Simulasi Sistem dengan Filter Aktif Seri [1] Sumb er AC 11 KV Filter Aktif Beban Non-linier Trafo 11 / 0.69 KV

(4)

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 4 dari 7 halaman Switching Line Sector A Sector B D(k) p(k) α/2 θ(k) As. 45 α/2 Za(k) Zs(k) O 180 135 45 -45 0 -180 -135 1 grade ) ( _d N θ P(θd) Degree d θ 0.01 1 1 )) ( (D k G d grade o Magnetud k Dd( ) 90 α=

Rule

Fuzzy Polar

dt

d

U

Zs

Za

Input Signal

Gambar 9 Diagram Blok Harmonisa Kompensator [1]

Dengan menggunakan hubungan tegangan dan arus yang umum:

V = I . Z (6) Sinyal kontrol Vα, Vβ, dan V0 yang akan diinjeksikan oleh filter aktif seri ke jaringan distribusi guna mengeliminasi harmonisa, didapatkan dengan memberikan kompensasi pada sinyal error i*αh, i*βh dan i*0 dengan menggunakan kontrol fuzzy polar. Fuzzy polar tidak hanya memberikan kompensasi sinyal error saja tetapi juga mengubah dari besaran arus menjadi besaran tegangan dengan menggunakan Pers. 6. Perubahan tegangan αβ0 ke bentuk abc frame diperoleh dengan Pers. 3.7 :

                              − − − = β α ο V V V c V b V a V . 2 3 2 1 2 1 2 3 2 1 2 1 0 1 2 1 . 3 2 (7) Penggunaan fuzzy polar sebagai kompensator error merupakan pengganti dari kompensator konvensional PI. Pada study kali ini, fuzzy polar digunakan sebagai kontrol di filter aktif. Metode fuzzy polar sudah dikembangkan untuk aplikasi kontrol didalam sistem tenaga listrik [1].

Fuzzy polar terdiri 3 parameter dasar yaitu pengali derivative (As), irisan sudut dari fungsi keanggotaan sudut (α), dan tingkat panjang fuzzy untuk keanggotan radial (Dr). nilai operasi dari koordinat polar ditunjukkan pada Pers. 8 sampai dengan Pers. 10. AsZa(k)] [Zs(k) p(k)= (8) 2 2 )) ( . ( ) ( ) (k Zsk AsZa k D = + (9) (k) = tan−1(As⋅Za(k)/Zs(k)) (10) Kontroller ini diberi inputan sinyal Zs dan memerlukan turunan dari sinyal tersebut untuk mendapatkan Za. Tiga faktor lain yang juga dibutuhkan dalam sistem kontrol ini yaitu maksimum sinyal kontrol Umax, time sampling T, time delay DT. Parameter ini sering dijelaskan menggunakan kriteria external. Aturan defuzzifikasi untuk sistem kontrol ditunjukkan dengan Pers. 11. max ))]. ( ( )) ( ( ))[ ( ( ) (k G D k N k P k U U = θ − θ (11)

Bentuk polar dari fuzzy polar ditunjukkan pada Gambar 11 dan variabel fuzzy dijelaskan pada Pers. 8, 9, dan 10. Umax menunjukkan maksimum sinyal kontrol yang masih diijinkan. Fungsi keanggotaan dari fuzzy

polar ditunjukkan pada Gambar 11. dan model pada Gambar 12 merupakan model sederhana dari fuzzy polar dengan 1 input dan 1 output. Pada kenyataanya hanya satu input, Zs. Tetapi, hal tersebut membutuhkan sinyal derivative Za untuk dapat dikonversi ke bentuk koordinat polar seperti terlihat pada Gambar 10.Output fuzzy polar (U) dterangkan dalam Pers. 11.

Gambar 10 Bentuk Polar [1]

Gambar 11 Fungsi Keanggotaan Fuzzy Polar [1]

(5)

IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISIS

4.1 Simulasi Sistem Awal Sebelum Penambahan Filter Aktif Seri

Kondisi awal sistem disimulasikan pada saat sebelum adanya filer untuk mengurangi harmonisa, dengan pemodelan sistem dalam simulasi tugas akhir ini bisa dilihat pada Gambar 14. Nilai THDi dan THDv sistem secara keseluruhan adalah 41.5% dan 34%. Nilai THD didapatkan dengan menggunakan FFT Analysis Powergui pada scope yang terhubung dengan salah satu pengukur tegangan dan arus.

Simulasi ini menggunakan MATLAB Simulink 7.1 dengan durasi simulasi selama 4 cycle. Pada simulasi awal tugas akhir ini, pengukuran dilakukan pada bus antara sumber dan beban. Dari hasil simulasi didapatkan nilai THDv dan THDi sebesar 34% dan 41%. Gambar 13 menunjukkan gelombang tegangan sebelum penambahan filter untuk mengurangi harmonisa dan Gambar 14 menunjukkan gelombang arus. Sumbu vertikal menunjukkan nilai tegangan dalam satuan Volt dan sumbu horizontal menunjukkan orde waktu simulasi dalam detik.

Gambar 13 Gelombang Tegangan Terdistorsi

Gambar 14 Gelombang Arus Terdistorsi

Sumbu vertikal menunjukkan nilai arus dalam satuan Amper dan sumbu horizontal menunjukkan orde waktu simulasi dalam detik.

Sumber tegangan AC yang digunakan memiliki nilai nominal tegangan 0.69 KV. Nilai tegangan merupakan nilai sisi sekunder trafo yang dianggap bekerja pada kondisi normal. Beban MCC1, MCC2, dan MCC3 dipilih karena merupakan penghasil harmonisa terbesar pada PT Tabang Coal. Ini disebabkan karena seluruh VSD yang merupakan sumber harmonisa utama berada di dalam Bus tersebut. Scope digunakan untuk melihat hasil pengukuran berupa bentuk gelombang dan nilai THD.

4.2 Simulasi Sistem Setelah Penambahan Filter Aktif Seri untuk Mengurangi Harmonisa

Sistem disimulasikan pada kondisi setelah adanya filter aktif seri untuk mengurangi harmonisa, dengan pemodelan sistem dalam tugas akhir dapat diamati pada Gambar 17. Sedangkan nilai beban merupakan nilai akumulasi dari keseluruhan beban MCC1, MCC2, dan MCC3.

Simulasi ini menggunakan MATLAB Simulink 7.1 dengan durasi simulasi selama 4 cycle. Pada tugas akhir ini, simulasi sistem setelah penambahan filter aktif seri untuk mengurangi harmonisa, pengukuran dilakukan diantara beban dan sumber tegangan. Dari hasil simulasi didapatkan nilai THDv dan THDi sebesar 0.05% dan 6.5%. Gambar 17 menunjukkan gelombang tegangan sesudah penambahan filter aktif seri untuk mengurangi harmonisa.

(6)

Gambar 16 Pemodelan Sistem dengan MATLAB Simulink 7.1 Setelah Penambahan Filter Seri untuk Mengurangi Harmonisa

Gambar 17 Gelombang Tegangan Setelah Dipasang Filter Aktif Seri

Gambar 18 Gelombang Arus Setelah Dipasang Filter Aktif Seri

Pada Gambar 17 menunjukkan gelombang tegangan yang terukur. Pada gambar tersebut terlihat bahwa dengan penggunaan filter aktif seri dapat memperbaiki bentuk tegangan beban yang memiliki THDv sebesar 34% menjadi hanya 0.05%. Sumbu vertikal menunjukkan nilai tegangan dalam satuan Volt dan sumbu horizontal menunjukkan orde waktu simulasi dalam detik.

4.3 Perbandingan Hasil Simulasi Penggunaan Filter Aktif Seri dengan Kontroller Berbasis Fuzzy Polar

Setelah melakukan simulasi dengan menggunakan filter aktif seri dan beban yang telah didesain sedemikian rupa sehingga dapat menyerupai hasil simulasi

menggunakan ETAP 5.0.3 maka didapatkan perbandingan THDv dan THDi seperti pada Tabel 2.

Tabel 2 THD yang Terukur Sebelum Pemasangan Filter Aktif Seri Sesudah Pemasangan Filter Aktif Seri THDv 34% 0.05% THDi 41.5% 6.5%

Tabel 3 THDv Pada Tiap MCC Sebelum

Pemasangan Filter Aktif Seri

Sesudah Pemasangan Filter Aktif Seri

MCC1 15.62% 0.05%

MCC2 21.59% 0.05%

MCC3 45.53% 0.05%

Tabel 4 THDi Pada Tiap MCC Sebelum Pemasangan

Filter Aktif Seri

Sesudah Pemasangan Filter Aktif Seri MCC1 26.8% 3.76% MCC2 47.18% 6.17% MCC3 77.09% 9.17%

Untuk suatu sistem tenaga listrik, ada suatu batas/limit untuk THD. Limit tersebut tidak sama untuk setiap negara, tergantung standar yang dipakai. Dalam hal ini diberikan contoh standar dari IEEE Std. 519-1992. Ada dua kriteria yang digunakan dalam analisis distorsi harmonisa. Pertama adalah limitasi untuk distorsi arus. Yang kedua adalah limitasi untuk distorsi tegangan.

(7)

Tabel 5 Limit Distorsi Arus Harmonisa Maximum Harmonic Current Distortion in Percent

of IL

Individual Harmonic Order (Odd Harmonic) ISC/IL <11 11≤h≤1 7 17≤h≤2 3 23≤h≤3 5 35≤h THD < 20* 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0 20 – 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0 50 – 100 10, 0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0 100 – 1000 12, 0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 > 1000 15, 0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0 Tabel 5 di atas memuat standar limitasi untuk distorsi arus. Rasio ISC/IL adalah arus hubung singkat pada Point of Common Coupling terhadap arus beban nominal pada frekuensi fundamental. Dalam tabel tersebut, tegangan yang dipakai adalah antara 120 V sampai 69 kV. Untuk tegangan 69 kV sampai dengan 161kV dipakai standar limitasi untuk sistem subtransmisi.

Nilai standar Isc/IL yang dipakai pada simulasi kali ini adalah <20. Ini sesuai dengan perhitungan:

2 . 5 504 2600₌ = FL SC I I

Nilai ISC dan IFL didapatkan dari hasil simulasi load flow dan short circuit di ETAP. Dari Tabel 5 dapat disimpulkan bahwa THDi belum mencapai nilai standar yaitu 5%.

Untuk limitasi distorsi tegangan maka Tabel 6 berikut ini memuat standar untuk limitasi distorsi tegangan pada PCC.

Tabel 6 Limit Distorsi Tegangan Harmonisa. Bus Voltage at PCC Individual Voltage

Distortion (%) THD (%)

69 kV and below 3,0 5,0

69,001 kV through 161

kV 1,5 2,5

161,001 kV and above 1,0 1,5 Dari Tabel 6 dapat dilihat bahwa nilai THDv pada tegangan di bawah 0.69 kV yang dicapai setelah pemasangan filter aktif seri telah memenuhi standar.

V. KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Pemasangan filter aktif seri pada beban PT Tabang Coal dapat mengurangi besar Total Harmonic

Distortion (THD) tegangan yang pada awalnya adalah 34% sekarang menjadi 0.05%.

2. Pemasangan filter aktif seri ini juga dapat mengurangi THD arus dari 41.5% menjadi 6.5%. 3. THDv yang didapatkan setelah pemasangan filter

aktif seri memperlihatkan performa kontroller fuzzy polar yang cukup bagus untuk mengurangi harmonisa tegangan.

5.2 Saran

Dari hasil simulasi terlihat, bahwa dengan pemasangan filter aktif seri, sistem mengalami perbaikan kualitas daya listrik yakni dalam hal harmonisa sistem. Sangat diharapkan dengan adanya studi awal ini di kemudian hari ada yang melakukan penelitian lebih lanjut yang lebih aplikatif serta diikuti dengan mengimplementasikan dalam sistem tenaga listrik.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Margo, P., M. Hery, P., M., Ashari,., ”Fuzzy Polar Dynamic Voltage Restorer As Voltage Restorer And Active Filter Without Zero Sequence Blocking ”,

GELAGAR, 2008, Vol. 19, Hal: 112-119.

[2] J. Arrillaga, D. A. Bradley, P. S. Bodger, “Power Systems Harmonics”, John Wiley & Sons, 1985. [3] Mack Grady, “Understanding Power System

Harmonics” Dept. of Electrical & Computer Engineering University of Texas at Austin, Chapter.1, June.2006.

[4] ..., Handout Mata Kuliah Artificial Intelegence,

PHK Teknik Ilmu Komputer K1 Universitas Widyagama Malang, 2008.

[5] ..., Fuzzy Logic ToolboxTM 2 User Guide, The MathWork,Inc, 2008.

Zebua, A.T., Wahab, W., Teknologi Sistem Fuzzy, <URL:http://www.elektroindonesia.com>, 7 Oktober 2009.

RIWAYAT HIDUP

I Wayan Adi Harimbawa

dilahirkan di Balikpapan, 13 Juni 1987. Penulis adalah putra pertama dari tiga bersaudara pasangan Nyoman Suwetha dan Nyoman Yunitha. Penulis memulai jenjang pendidikannya di SD Nasional KPS Balikpapan, SLTP Nasional KPS Balikpapan, serta SMA Negeri 1 Balikpapan hingga lulus tahun 2005. Pada tahun yang sama, penulis masuk ke Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif sebagai asisten untuk Praktikum Pengukuran Listrik di Laboratorium Instrumentasi, Pengukuran, dan Identifikasi Sistem Tenaga Listrik. Email : adi_cyberpunk@yahoo.co.id