1 |
Abstrak— Sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik memiliki karakteristik beban yang menggunakan VFD dan sistem DC. Untuk memenuhi kebutuhan produksi pabrik, PT. Wilmar Indonesia berencana menambah beban hingga 5 megawatt (MW) dalam 5 tahun kedepan. Dengan peningkatan beban tersebut akan muncul permasalahan kualitas daya dalam sistem kelistrikannya. Terdapat permasalahan kualitas daya pada sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik yaitu tingkat harmonisa tegangan dan arus yang melebihi standar IEEE 519-1992. Tugas akhir ini membahas analisis harmonisa pada sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik akibat penambahan beban Compressor, FAL 01 PLANT, Biorefinery, Future PK CRUSH, Future Soya Bean, Future Flour Mill, Electrolyzer 1, Electrolyzer 2, Electrolyzer 3, FA-02/03, MES, NPK 02 PLANT, CPC 02 PLANT, WS-02, PK-CRUSH 03, SP-CWP-01
dan SP-CWP-03. Setelah dilakukan analisis harmonisa, direncanakan filter harmonisa untuk meredam tingkat distorsi harmonisa. Filter yang digunakan berjenis filter pasif yaitu
Single Tuned Filter. Penyelesaian permasalahan dalam tugas akhir ini menggunakan filter harmonisa pada tegangan rendah dengan level tegangan 0,4 KV. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pemasangan filter harmonisa ini efektif meredam harmonisa tegangan. Metode pemasangan filter ini masih menyisakan harmonisa tegangan yang cukup tinggi pada bus
ME FRACT, SNB PLANT, OLEO TF, H2 GAS PLANT, dan
FUTURE FLOUR MILL yaitu mendekati 5%. Oleh Karena itu ditambahkan filter tegangan menengah dari referensi tugas akhir sebelumnya yang dipasang pada bus SP-BUS-41000 dan SP-BUS-42000 dengan level tegangan 10,5 kV. Setelah pemasangan filter, harmonisa tegangan pada bus ME FRACT, SNB PLANT, OLEO TF, H2 GAS PLANT, dan FUTURE FLOUR MILL di bawah 4,5 %.
Kata Kunci—Penambahan Beban, Harmonisa, Filter
I. PENDAHULUAN
istem kelistrikan industri pada umumnya menggunakan kapasitor daya untuk meningkatkan kualitas daya dan kompensasi daya reaktif. Apabila pada sistem kelistrikan tersebut terdapat sumber arus harmonisa seperti Variable Frequency Drives (VFD) maka kapasitor dapat digunakan sebagai komponen filter harmonisa untuk mengurangi gangguan harmonisa [1]. Gangguan harmonisa merupakan permasalahan serius dalam sistem tenaga listrik. Akibat dari distorsi harmonisa adalah meningkatnya panas dan rugi-rugi energi pada setiap bagian peralatan dalam sistem distribusi tenaga listrik seperti tarnsformator, kabel serta komponen lainnya. Variable Frequency Drives (VFD) adalah contoh dari beban non linear yang menimbulkan harmonisa arus. VFD tersusun atas komponen elektronika daya yaitu
rectifier dan inverter yang dipergunakan pada motor untuk efisiensi pemakaian energi listrik [2].
Penggunaan filter harmonisa bertujuan untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih frekuensi tertentu dari sebuah arus maupun tegangan [3]. Salah satu jenis filter harmonisa adalah filter pasif. Perencanaan filter pasif merupakan penalaan filter pada orde harmonisa tertentu untuk menekan distorsi harmonisa yang terjadi hingga berada pada nilai standar yang telah ditentukan.
Sistim kelistrikan PT. Wilmar yang terletak di kota Gresik mempunyai beberapa alternatif suplai energy untuk kebutuhan beban operasionalnya yaitu PLN, dua unit Steam Turbine Generator (STG), dan dua unit Diesel Generator(DG). Kapasitas terpasang masing-masing STG adalah 15 MW sedangkan kapasitas terpasang DG adalah 3,2 MW. Sementara itu, beban listrik di PT. Wilmar pada kondisi peak mencapai 14 MW. PT. Wilmar berupaya memperbanyak produksi minyak dengan menambah penggunaan motor. Dengan penambahan penggunaan motor maka gangguan harmonisa akan bertambah akibat penggunaan Variable Frequency Drive (VFD).
Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari kualitas daya dari sistem kelistrikan di PT. Wilmar Gresik, khususnya tentang harmonisa yang terjadi akibat penambahan beban, memodelkan dan mensimulasikan sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik menggunakan software ETAP 7.0, menganalisa hasil simulasi, dan meredam harmonisa yang terjadi dengan merancang filter pasif. Penyelesaian permasalahan dibatasi yaitu pemasangan filter harmonisa
Single Tuned Filter (STF) pada tegangan menengah 0,4 kV, sistem kelistrikan dalam keadaan steady state, semua beban beroperasi, dan menggunakan standar IEEE 519-1992 untuk analisis harmonisa.
II. DASAR TEORI A. Harmonisa Pada Sistem Tenaga Listrik
Harmonisa sistem tenaga didefinisikan sebagai komponen sinusoidal tegangan dan arus yang mempunyai frekuensi kelipatan bilangan bulat (integer) dari frekuensi dasar. Gelombang non sinusoidal dapat terbentuk dengan menjumlahkan gelombang – gelombang sinusoidal, seperti terlihat pada Gambar 1. Dalam sistem tenaga listrik yang menggunakan frekuensi 50 Hz, maka dapat dikatakan bahwa harmonisa pertama atau frekuensi fundamental dari sistem tenaga tersebut adalah 50 Hz. Harmonisa kedua merupakan kelipatan kedua dari harmonisa pertama yaitu sebesar 100 Hz , sedangkan harmonisa ketiga merupakan kelipatan ketiga dari harmonisa pertama yaitu sebesar 150 Hz dan harmonisa kelima serta ketujuh berturut-turut sebesar 250 Hz dan 350 Hz . Dapat ditarik kesimpulan bahwa harmonisa ke-n merupakan kelipatan n dari frekuensi fundamental [2].
Arko Setiyo Prabowo
2208100067
Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS
Perencanaan Filter Harmonisa Pada Sisi Tegangan Rendah Untuk Mengurangi
Harmonisa Akibat Penambahan Beban Pada
Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik
Gambar 1. Gelombang terdistorsi akibat komponen harmonisa
a) Gelombang sinus frekuensi fundamental b) Gelombang harmonisa ke-3
c) Gelombang harmonisa ke-5 d) Gelombang harmonisa ke-7
Harmonisa dapat ditimbulkan akibat penggunaan beban
non linier antara lain rectifier, converter, tanur busur listrik (arc furnace), transformator, dan mesin-mesin berputar [3]:
Transformator. Harmonisa pada transformator dibangkitkan oleh karakteristik magnetisasi besi yang
non linier.
(a) (b)
Gambar 2.Kurva magnetisasi (a), Bentuk gelombang fluks dan arus (b)
Rectifier menggunakan Sillicon-Controlled Rectifier
(SCR) berupa rangkaian jembatan thyristor enam pulsa. Harmonisa yang dibangkitkan oleh sebuah
rectifier enam pulsa dominan pada orde ke 5.
Converter. Beban-beban yang mengandung konverter (static converter), seperti lampu fluorescent, komputer, VFD, dan Uninterruptable Power Supply (UPS).
Gambar 3. Macam Lampu Flourescent
Mesin-Mesin Berputar
Generator sinkron dan motor induksi secara umum menghasilkan sejumlah harmonisa. Pada generator sinkron harmonisa disebabkan karena kejenuhan dan distribusi fluks yang tidak sinusoidal. Bila generator sinkron diberi beban, terbangkit Electromotive Force
(EMF) yang tidak sinusoidal yang menghasilkan arus harmonisa
Dalam harmonisa khususnya pada sistem tenaga listrik, dipakai istilah Total Harmonic Distortion (THD) yang didefinisikan sebagai persentase total komponen harmonisa terhadap komponen fundamentalnya. Total Harmonic Distortion (THD) dituliskan sebagai:
𝑇𝐻𝐷 = 𝑘𝑛 =2𝑈𝑛2 1 2
𝑈1 𝑥100% (1)
Dimana Un adalah komponen harmonisa, U1 adalah komponen fundamental, k adalah komponen harmonisa maksimum yang diamati. Selain THD dikenal pula Total Demand Distortion (TDD) yaitu perbandingan nilai rms antara komponen arus harmonisa dengan arus beban demand
maksimum. Standar IEEE 519-1992 digunakan untuk menentukan tingkat distorsi harmonisa tegangan dan arus.
TABEL 1
LIMIT DISTORSI HARMONISA UNTUK SISTEM DISTRIBUSI 120 V SAMPAI 69 KV BERDASARKAN IEEE STD 519-1992
Distorsi Harmonisa Arus Maksimum dalam Persen terhadap IL ISC/IL
Orde Harmonisa Individual (Harmonisa Orde Ganjil) <11 11h17 17h23 23h35 35h TDD < 20* 4 2 1,5 0,6 0,3 5 20 – 50 7 3,5 2,5 1 0,5 8 50 – 100 10 4,5 4 1,5 0,7 12 100 – 1000 12 5,5 5 2 1 15 > 1000 15 7 6 2,5 1,4 20
Harmonisa orde genap dibatasi 25% dari Harmonisa orde ganjil di atas. Tidak diperbolehkan distorsi arus yang dihasilkan sistem DC, contohnya konverter setengah gelombang.
Semua peralatan pembangkit listrik terbatas pada nilai-nilai distorsi arus terlepas dari ISC/IL aktual, dimana:
ISC = Arus hubung singkat maksimum pada PCC
IL = Arus beban maksimum (komponen frekuensi fundamental) pada PCC TABEL 2
LIMIT DISTORSI TEGANGAN BERDASARKAN IEEE STD 519-1992 Tegangan Bus Pada PCC Distorsi Tegangan Individual (%) THD (%)
69 kV dan ke bawah 3 5
69,001 kV sampai 161 kV 1,5 2,5
161,001 kV dan ke atas 1 1,5
Pengaruh harmonisa pada sistem tenaga listrik antara lain resonansi, baik itu seri maupun paralel yang disebabkan oleh adanya komponen kapasitor bank. Resonansi paralel menghasilkan impedansi tinggi pada frekuensi resonansi sehingga menaikkan tegangan harmonisa dan arus harmonisa yang tinggi di setiap lengan impedansi pararel.
Gambar 4. Resonansi paralel pada PCC
Resonansi seri menyebabkan impedansi sangat kecil sehingga arus harmonisa yang tinggi mengalir ke kapasitor pada harmonisa tegangan yang kecil. Pada mesin berputar, harmonisa berpengaruh terhadap rugi-rugi pada belitan stator, rangkaian rotor, dan laminasi stator-rotor. Pengaruh harmonisa pada peralatan pusat pembangkit berupa rugi-rugi daya sedangkan pengaruh harmonisa pada transformator adalah adanya arus Eddy dan tekanan isolasi. Aliran arus
3 |
harmonisa meningkatkan rugi-rugi tembaga dan efek ini lebih nyata pada transformator konverter, karena transformator tersebut tidak terpengaruh oleh adanya filter yang biasanya dihubungkan pada sisi sistem AC [4]. Sirkulasi arus harmonisa triplen urutan nol yang melampaui batas pada belitan transformator dapat menimbulkan hot spot pada tangki.
Gambar 5. Resonansi seri pada PCC
B. Filter Pasif Untuk Peredaman Harmonisa
Filter pasif berfungsi untuk mengurangi amplitudo satu atau lebih frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus dengan cara menyediakan jalur yang rendah impedansinya pada frekuensi harmonisa sehingga dapat menekan penyebaran arus harmonisa ke seluruh jaringan.
Filter pasif tersusun dari komponen-komponen resistor (R), induktor (L), dan kapasitor (C). Secara umum filter harmonisa dapat dibedakan dalam tiga jenis antara lain: a. Single Tuned Shunt Filter (STF) menyediakan jalur
dengan impedansi rendah untuk satu frekuensi harmonisa. Nilai Quality Factor (Q) yang tinggi ditala secara tajam pada satu frekuensi harmonisa yang rendah. b. Double Tuned Filter memiliki karakteristik impedansi
yang ekivalen dengan dua buah STF dipasang secara paralel dimana frekuensi yang ditala saling berdekatan. c. High Pass Damp Filter (HPF) digunakan untuk
membuat impedansi yang rendah untuk spektrum frekuensi harmonisa yang lebar. Nilai Q pada HPF umumnya bernilai rendah. Terdapat empat jenis damped filter yaitu damped filter orde satu, orde dua, orde tiga dan jenis damped filter tipe C.
III. HARMONISA PADA SISTEM KELISTRIKAN PT.WILMAR
GRESIK A. Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik
PT. Wilmar Nabati Indonesia (Wilmar Group), selanjutnya disebut “PT. Wilmar” berlokasi di kota Gresik. Untuk sistem kelistrikannya, PT. Wilmar memiliki total suplai energi listrik sebesar 35.5 MW dan emergency supply
sebesar 4 MW. Total beban maksimum yang terpasang besarnya sekitar 33 MW. Sistem distribusi yang digunakan adalah sistem ring. Namun dalam pengoperasiannya digunakan sistem distribusi radial dengan cara membuka beberapa breaker ring.
TABEL 3
DATA PENYUPLAI DAYA LISTRIK DI PT. WILMAR GRESIK
Source ID Type Mode Operasi Daya
(MW)
BKR PLN Grid Voltage Control 5,5
STG 1 Steam Turbine Generator Swing 15
STG 2 Steam Turbine Generator Stand by 15
DEG 1 Diesel Generator Stand by 1,6
DEG 2 Diesel Generator Stand by 1,6
Untuk mensuplai kebutuhan beban operasional pabrik dalam kondisi normal, suplai daya listrik didapat dari BKR PLN dengan kapasitas hubung singkat sebesar 8.963 MVASc yang beroperasi pada mode Voltage Control yaitu suplai daya aktif dijaga tetap 5,5 MW dan satu buah Steam Turbin Generator yaitu STG 1 berkapasitas 15 MW yang beroperasi pada mode Swing. Sumber PLN diambil dari Gardu Induk Segara Madu 150 kV melalui SP-BUS-31000 20 kV. Level tegangan distribusi yang digunakan PT. Wilmar Gresik antara lain 20 kV, 10,5 kV, 3,3 kV, dan 0,4 kV. DEG 1, DEG 2 dan STG 2 merupakan pembangkit yang digunakan sebagai cadangan pada saat starting motor-motor besar dan overhaul.
B. Harmonisa Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik
Sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik memiliki karakteristik total harmonisa arus dan tegangan yang melebihi standar harmonisa IEEE 519-1992. Dalam tugas akhir ini akan dibahas analisis harmonisa sebelum dan sesudah penambahan beban. Beban-beban yang memberikan kontribusi harmonisa arus antara lain VFD enam pulsa untuk beban Fractionation, Refinery, Soap Beading, BD 01, BD 02, ME Fract, FA/GLY&HYDRO, Hydrochem, Oleo TF,
dan Boiler House, sertaenam buah charger enam pulsa dan tiga unit transformator dua belitan digunakan beban
Electrolyzer. Sedangkan beban baru yang akan dihubungkan ke sistem kelistrikan PT.Wilmar Gresik adalah Compressor,
FAL 01 PLANT, Biorefinery, Future PK CRUSH, Future Soya Bean, Future Flour Mill, Electrolyzer 1, Electrolyzer 2, Electrolyzer 3, FA-02/03, MES,NPK 02 PLANT , CPC 02 PLANT, WS-02, PK-CRUSH 03, SP-CWP-01 dan SP-CWP-03.
C. Langkah-Langkah Peredaman Harmonisa Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik
Alur metodologi peredaman harmonisa dalam tugas akhir ini digambarkan dalam flow chart pada Gambar 6.
Gambar 6.Flow chart metodologi peredaman harmonisa di PT. Wilmar Gresik
IV. SIMULASI DAN ANALISIS
A. Kondisi Existing Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik
Pada keadaan ini didapat data bahwa sistem memerlukan pasokan daya sebesar 11,339 MW yang diperoleh dari STG 1 11,379 MW. Faktor daya sistem tercatat sebesar 98% pada sisi generator.. Pada kondisi ini masih dalam kondisi operasi minimum dari sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik.
Gambar 7. Aliran daya sistem PT. Wilmar Gresik kondisi existing Sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik kondisi existing
menggunakan kapasitor bank untuk kompensasi daya reaktif yang dipasang dengan metode kompensasi individual sisi tegangan rendah 0,4 kV.
TABEL 4
FAKTOR DAYA BEBAN DAN BUS BEBAN DENGAN KOMPENSASI DAYA REAKTIF
Bus Beban kV kW kVAR kVA PF (%)
SP-BUS-41006 10,5 29 35 45 63,6 SP-BUS-51001 10,5 647 273 702 92,2 SP-BUS-51002 10,5 2213 1548 2701 82 SP-BUS-51003 10,5 353 221 416 84,8 SP-BUS-51004 10,5 667 359 757 88 SP-BUS-51005 10,5 756 387 417 89 SP-BUS-52001 10,5 888 466 1003 88,5 SP-BUS-52002 10,5 47 37 60 78,6 SP-BUS-53001 10,5 1464 580 1575 93 SP-BUS-53002 10,5 430 138 452 95,2 SP-BUS-54001 10,5 267 170 317 84,3 SP-BUS-54002 10,5 259 166 307 84,2 SP-BUS-54003 10,5 420 214 472 89,1 SP-BUS-56001 10,5 2043 470 542 97,5 SP-BUS-56002 10,5 922 726 1174 78,6 CPKO PLANT 0,4 29 35 45 63,6 AIR COMP-UTILITY 0,4 647 273 702 92,2 FRACT-PLANT 0,4 2213 1548 2701 82 REFINERY-PLANT 0,4 353 221 416 84,8 TF-NKB 0,4 8 21 22 99,82 SNB-PLANT 0,4 667 359 757 88 WTR-RESERVOIR 0,4 89 46 100 88,9 BD 01 0,4 626 313 700 89,5
Bus Beban kV kW kVAR kVA PF (%)
BD 02 0,4 214 134 252 84,8 ME FRACT 0,4 47 37 59 78,6 FA-01 PLANT 0,4 1464 580 1575 93 OLEO-TF 0,4 160 85 307 88,3 H2 GAS PLANT 0,4 269 111 291 92,4 PK-CRUSHING 01 0,4 1360 363 1408 96,6 PK-CRUSHING 02 0,4 681 132 694 98,2 NPK-01 PLANT 0,4 257 38 260 98,9 JETTY 0,4 40 26 47 83,5 CEN-BOILER UTILITY 0,4 420 214 471 89,1 RO/ETP 0,4 258 162 304 84,8
B. Harmonisa Tegangan Sistem Kondisi Existing
Sebelum melakukan simulasi dan analisis harmonisa sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik maka diperlukan data-data penunjang berupa data-data pengukuran harmonisa pada bus beban sistem.
TABEL 5
DISTORSI HARMONISA TEGANGAN BUS BEBAN SAAT KONDISI EXISTING
Bus Beban kV % kV THDV (%) Standar IEEE (%) Kondisi SP-BUS-41006 10,5 99,90 7,32 5 Exceeds Limit SP-BUS-51001 10,5 99,86 7,34 5 Exceeds Limit SP-BUS-51002 10,5 99,78 7,38 5 Exceeds Limit SP-BUS-51003 10,5 99,79 7,37 5 Exceeds Limit SP-BUS-51004 10,5 99,85 7,35 5 Exceeds Limit SP-BUS-51005 10,5 99,87 7,34 5 Exceeds Limit SP-BUS-52001 10,5 99,85 7,41 5 Exceeds Limit SP-BUS-52002 10,5 99,85 7,42 5 Exceeds Limit SP-BUS-53001 10,5 99,99 7,32 5 Exceeds Limit SP-BUS-53002 10,5 99,94 7,32 5 Exceeds Limit SP-BUS-54001 10,5 99,94 7,30 5 Exceeds Limit SP-BUS-54002 10,5 99,94 7,30 5 Exceeds Limit SP-BUS-54003 10,5 99,93 7,35 5 Exceeds Limit SP-BUS-56001 10,5 99,88 7,29 5 Exceeds Limit SP-BUS-56002 10,5 99,89 7,24 5 Exceeds Limit CPKO PLANT 0,4 99,90 7,09 5 Exceeds
Limit AIR COMP-UTILITY 0,4 99,86 6,89 5 Exceeds Limit FRACT-PLANT 0,4 99,78 12,53 5 Exceeds Limit REFINERY-PLANT 0,4 99,79 10,94 5 Exceeds Limit TF-NKB 0,4 99,82 7,21 5 Exceeds Limit TF-KB 0,4 99,82 6,94 5 Exceeds Limit SNB-PLANT 0,4 98,69 10,05 5 Exceeds Limit WTR-RESERVOIR 0,4 99,53 7,07 5 Exceeds Limit BD 01 0,4 99,48 9,67 5 Exceeds Limit BD 02 0,4 99,28 10,73 5 Exceeds Limit ME FRACT 0,4 99,70 10,04 5 Exceeds Limit PF 90% Utility 01 PF 79,8% Utility 03
5 | Bus Beban kV % kV THDV (%) Standar IEEE (%) Kondisi
FA-01 PLANT 0,4 99,18 10,21 5 Exceeds Limit OLEO-TF 0,4 99,94 12,37 5 Exceeds
Limit H2 GAS PLANT 0,4 99,39 7,25 5 Exceeds
Limit PK-CRUSHING 01 0,4 99,88 10,38 5 Exceeds Limit PK-CRUSHING 02 0,4 99,89 10,27 5 Exceeds Limit NPK-01 PLANT 0,4 99,72 9,55 5 Exceeds Limit JETTY 0,4 99,78 7,08 5 Exceeds Limit CEN-BOILER UTILITY 0,4 99,23 13,29 5 Exceeds Limit RO/ETP 0,4 99,06 7,1 5 Exceeds Limit
Dari hasil simulasi diketahui bahwa seluruh bus di sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik nilai harmonisa tegangannya masih melebihi standar IEEE Std. 519-1992 dimana rata-rata total distorsi harmonisa tegangannya di atas 8,47 %. Untuk mengetahui orde dominan distorsi harmonisa tegangan sistem, maka dilihat melalui spektrum harmonisa tegangan pada bus SP-BUS-41000 dan CEN-BOILER UTILITY sebagai contoh. Dapat dilihat bahwa orde harmonisa dominan adalah orde 5 dan 7.
(a) (b)
Gambar 8.Spektrum harmonisa tegangan SP-BUS-41000 (a) dan spectrum harmonisa tegangan bus CEN-BOILER UTILITY(b)
C. Resonansi Sistem Kondisi Existing
Kapasitor bank yang terpasang di sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik turut memberikan kontribusi harmonisa sehingga fungsi untuk memperbaiki faktor daya sistem menjadi kurang efektif. Kapasitor bank menyebabkan timbulnya resonansi paralel. Hal ini berdampak pada penguatan distorsi harmonisa khususnya harmonisa tegangan akibat impedansi lokal yang tinggi.
(a) (b)
Gambar 9. Karakteristik impedansi bus BUS-41000 (a) dan bus SP-BUS-42000 (b)
Desain perhitungan filter harmonisa nantinya harus menghindari frekuensi-frekuensi potensi resonansi paralel.
D. Harmonisa Arus Sistem Kondisi Existing
Terdapat tujuh beban yang memiliki distorsi harmonisa arus kondisi existing melebihi standar IEEE 519-1992.
TABEL 6
DISTORSI HARMONISA ARUS SISTEM SAAT KONDISI EXISTING
Bus Beban Beban TDDI (%)
Standar IEEE (%) Orde Dominan SP-BUS-51002 REFINERY 13,31 8 5, 11, dan 13 SP-BUS-53001 FA-01 9,19 8 5, 7, dan 11 SP-BUS-53002 H2-GAS PLANT 23,56 12 5, 7, dan 11 OLEO TF 16,48 12 5, 7, dan 11 SP-BUS-54003 BOILER UTILITY 16,75 12 5, 7, dan 11 SP-BUS-56001 PK-CRUSH 01 18,75 8 5, 7, dan 11 PK-CRUSH 02 17,10 8 5, 7, dan 11
Tingginya distorsi harmonisa arus pada beban H2-GAS PLANT disebabkan oleh operasi underload dibandingkan beban Oleo TF pada bus SP-BUS-53002 sehingga arus harmonisa yang tinggi mengalir menuju impedansi
Hydrochem yang kecil. Selain itu, Beban PK-CRUSH juga mengalami distorsi harmonisa arus yang tinggi.
E. Aliran Daya Pada Penambahan Beban Baru
Simulasi aliran daya di sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik dilakukan untuk mengetahui aliran daya pada saat kondisi operasi maksimum.
TABEL 7
ALIRAN DAYA PADA PENAMBAHAN BEBAN BARU
Bus Beban kV kW kVAR kVA PF (%)
WS-02 10,5 332 184 380 87,5 COMPRESSOR 0,4 94 62 113 83,4 FAL-01 PLANT 0,4 1065 764 1311 81,2 BIOREFINERY 0,4 1183 692 1371 86,3 FUTURE PK-CRUSH 0,4 1986 1097 2269 87,5 FUTURE SOYA BEAN 0,4 1517 1020 1828 83 FUTURE FLOUR MILL 0,4 1728 1057 2026 85,3 ELECTROLYZER 1 0,4 1822 1330 2256 80,8 ELECTROLYZER 2 0,4 1822 1330 2256 80,8 ELECTROLYZER 3 0,4 1822 1330 2256 80,8 FA 02/03 0,4 1534 600 1647 93,1 MES 0,4 508 327 604 84.1 NPK 02 PLANT 0,4 256 457 524 48,8 CPC 02 PLANT 0,4 86 41 95,273 90,2 PK-CRUSH 03 0,4 678 690 967 70,1
F. Perbandingan Harmonisa Sebelum Dan Sesudah Penambahan Beban Baru
Terdapat perbedaan tingkat distorsi harmonisa antara kondisi existing dan kondisi setelah penambahan beban .
TABEL 8
PERBANDINGAN DISTORSI HARMONISA ARUS KONDISI EXISTING DAN SESUDAH PENAMBAHAN BEBAN
Beban TDDI (%) Kondisi Existing Kondisi Setelah Penambahan Beban Status REFINERY 13,31 14,04 Increase TF-KB 6,47 8,23 Increase FA-01 9,19 8,55 Decrease
H2 GAS PLANT 23,56 22,69 Decrease
OLEO TF 16,48 15,82 Decrease CEN.BOILER UTILITY 16,75 16,21 Decrease PK-CRUSH 01 18,75 22,45 Increase PK-CRUSH 02 17,10 22,47 Increase TABEL 9
PERBANDINGAN DISTORSI HARMONISA TEGANGAN KONDISI EXISTING DAN SESUDAH PENAMBAHAN BEBAN
Beban THDV (%) Kondisi Existing Kondisi Setelah Penambahan Beban Status REFINERY 10,94 13,09 Increase TF-KB 6,94 8,87 Increase FA-01 10,21 11,98 Increase H2 GAS PLANT 7,25 9,92 Increase OLEO TF 12,37 14,70 Increase CEN.BOILER
UTILITY 13,29 15,36 Increase PK-CRUSH 01 10,38 13,27 Increase PK-CRUSH 02 10,27 13,16 Increase
G. Perhitungan Filter Harmonisa
Filter harmonisa yang direncanakan dipasang untuk meredam distorsi harmonisa PT. Wilmar Gresik adalah filter pasif dan menggunakan metode peredaman individual. Filter direncanakan dipasang pada dua bus bertegangan 0,4 kV. Filter pasif akan dipasang pada bus Refinery-Plant, BD 01, BD 02, Fractionary , CEN-BOILER UTILITY , ME FRACT, OLEO TF, SNB PLANT, FA-01 PLANT, FA-02/03 PLANT, FAL-01 PLANT, Biorefinery, dan FUTURE PK-CRUSH.
TABEL 10
JENIS DAN NILAI KOMPONEN PERENCANAAN FILTER
Bus Jenis Filter kVAR (3 fasa) Q factor Komponen Filter (3 fasa) C (μF) L (μH) R (Ω) REFINER Y-PLANT ST 5th 479 40 9529 43,571 0,0003 BD 01 ST 5th 118 40 2348 176,8 0,001 BD 02 ST 5th 36 30 716,2 5,797 0,006 ST 7th 23 30 457,6 459,7 0,009 FRACTIO NARY ST 5th 152 40 3024 137,2 0,001 ST 7th 200 30 3979 52,76 0,001 Bus Jenis Filter kVAR (3 fasa) Q factor Komponen Filter (3 fasa) C (μF) L (μH) R (Ω) CEN-BOILER UTILITY ST 5th 38,49 40 765,7 542,2 0,004 ST 7th 85,151 40 1694 124 0,004 ME FRACT ST 5th 28 30 557,9 744,2 0,0076 OLEO TF ST 5th 53 45 1054 393,9 0,0026 SNB PLANT ST 5th 133 40 2646 156,19 0,001 FA-01 PLANT ST 5th 868 40 17268 24 0,0005 FA-02/03 PLANT ST 5th 480 40 9558 43,4 0,0005 FAL-01 PLANT ST 5th 420 40 8360 4,966 10−5 0,0003 BIOREFIN ERY ST 5th 314 40 6247 66,642 0,0005 FUTURE PK-CRUSH ST 5th 474 40 9430 440 0,0003
H. Aliran Daya Setelah Pemasangan Filter Harmonisa
Dari hasil simulasi aliran daya diperoleh kenaikan faktor daya pembangkit STG 2 dari 84,7 % menjadi 98,6 %. Faktor daya bus SP-BUS-41000 ditingkatkan dari 86,7% menjadi 98,5% dan SP-BUS-42000 ditingkatkan dari 90,6% menjadi 98,8%.
I. Perbandingan Harmonisa Tegangan Sebelum dan Setelah Pemasangan Filter Harmonisa
Hasil simulasi menunjukkan bahwa harmonisa tegangan keseluruhan sistem dapat diredam secara signifikan.
TABEL 11
PERBANDINGAN HARMONISA TEGANGAN BUS BEBAN SEBELUM DAN SETELAH PEMASANGAN FILTER HARMONISA
Bus Beban THDV (%) Kondisi Setelah Penambahan Beban Setelah Pemasangan Filter SP-BUS-41006 9,49 3,49 SP-BUS-51001 9,52 3,48 SP-BUS-51002 9,55 3,46 SP-BUS-51003 9,55 3,46 SP-BUS-51004 9,53 3,47 SP-BUS-51005 9,52 3,47 SP-BUS-52001 9,59 3,47 SP-BUS-52002 9,60 3,48 SP-BUS-53001 9,56 3,45 SP-BUS-53002 9,80 3,81 SP-BUS-54003 9,55 3,49 SP-BUS-56001 9,40 3,40 SP-BUS-56002 9,21 3,38 CPKO PLANT 9,11 3,04 AIR COMP-UTILITY 8,82 2,79 FRACT-PLANT 14,54 3,23
7 | Bus Beban THDV (%) Kondisi Setelah Penambahan Beban Setelah Pemasangan Filter REFINERY-PLANT 13,09 1,97 TF-NKB 9,34 3,28 TF-KB 8,87 2,79 SNB-PLANT 11,79 4,55 WTR-RESERVOIR 9,08 2,98 BD 01 11,75 2,97 BD 02 12,82 3,59 ME FRACT 12,34 4,87 FA-01 PLANT 11,98 2,05 OLEO-TF 14,70 4,86 H2 GAS PLANT 9,92 4,82 PK-CRUSHING 01 13,27 2,85 PK-CRUSHING 02 13,16 2,93 PK-CRUSHING 03 13,16 2,93 NPK-01 PLANT 12,09 2,95 JETTY 8,95 3,06 CEN-BOILER UTILITY 15,36 3,49 RO/ETP 9,17 3,10 FAL 01 PLANT 12,09 1,75 BIOREFINERY 10,28 1,34 FUTURE PK CRUSH 10,84 1,93 FUTURE SOYA BEAN 8,70 2,80 FUTURE FLOUR MILL 9,73 4,65 ELECTROLYZER 1 26,42 21,56 ELECTROLYZER 2 26,42 21,56 ELECTROLYZER 3 26,42 21,56 FA-02/03 15,13 3,60 MES 8,68 2,79 NPK 02 PLANT 12,09 3,09 CPC 02 PLANT 9,13 3,14
J. Perbandingan Harmonisa Arus Sebelum dan Setelah Pemasangan Filter Harmonisa
Terjadi kenaikan harmonisa arus pada tujuh unit beban dan hal ini wajar terjadi menggunakan metode peredaman grup pada level medium voltage. Dari hasil simulasi, beban
Electrolyzer menunjukkan fenomena tidak terpengaruh dengan adanya pemasangan filter sehingga distorsi harmonisa arus Electrolyzer masih tetap tinggi. Namun, filter harmonisa ini berhasil mengamankan sistem dari harmonisa tegangan yaitu level THDV dalam batas aman standar IEEE 519-1992 dan peralatan dapat bekerja sesuai dengan rating tegangannya.
TABEL 12
PERBANDINGAN TINGKAT DISTORSI HARMONISA ARUS SEBELUM DAN SESUDAH PEMASANGAN FILTER HARMONISA
Beban TDDI (%) Kondisi Harmonisa Kondisi Setelah Penambahan Beban Setelah Pemasangan Filter CPKO 5,56 1,84 Decrease
AIR COMP 7,79 2,59 Decrease
FRACTIONARY 10,89 6,00 Decrease REFINERY 14,04 9,19 Decrease TF-KB 8,23 2,60 Decrease CPC-01 7,40 2,60 Decrease CPC-02 7,91 2,41 Decrease SNB 6,96 11,09 Increase TF-KB 8,23 2,60 Decrease CPC-01 7,40 2,60 Decrease CPC-02 7,91 2,41 Decrease SNB 6,96 11,09 Increase WTR_RESERVOIR 7,77 2,56 Decrease BD 01 6,38 10,31 Increase BD 02 7,58 7,42 Decrease ME Fract 6,38 4,87 Decrease FA-01 8,55 6,19 Decrease FA-02/03 8,13 4,37 Decrease OLEO TF 15,82 7,62 Decrease
H2-GAS PLANT 22,69 25,00 Increase
ELECTROLYZER 1 30,57 30,64 Increase ELECTROLYZER 2 30,57 30,64 Increase ELECTROLYZER 3 30,57 30,64 Increase TF-NKB 3,62 1,20 Decrease
RO/ETP LUMP 7,51 2,54 Decrease
CEN.BOILER UTILITY 16,21 6,46 Decrease MES 6,77 2,08 Decrease PK-CRUSH 01 22,45 2,04 Decrease PK-CRUSH 02 22,47 1,95 Decrease PK-CRUSH 03 22,47 1,95 Decrease NPK 01 PLANT 10,81 1,31 Decrease NPK 02 PLANT 10,81 1,31 Decrease JETTY 7,25 2,47 Decrease
FAL-01 PLANT 9,01 7,18 Decrease
BIOREFINERY 5,46 9,83 Increase FUTURE PK-CRUSH 9,31 5,96 Decrease FUTURE FLOUR MILL 2,51 5,90 Increase FUTURE SOYA BEAN 6,74 2,07 Decrease
K. Penggunaan Filter Harmonisa Tegangan Menengah Dari Referensi Tugas Akhir Sebelumnya Sebagai Pertimbangan Untuk Lebih Menekan Tingkat Distorsi Harmonisa
Setelah pemasangan filter pada bus tegangan rendah yang ditentukan, terjadi penurunan tingkat distorsi harmonisa tegangan pada sistem kelistrikan PT.Wilmar. Namun, untuk
bus ME FRACT, SNB PLANT, OLEO TF, H2 GAS PLANT,
dan FUTURE FLOUR MILL tingkat distorsi harmonisa tegangannya masih tinggi dan hampir mendekati 5 %. Mempertimbangkan hal tersebut maka dilakukan pemasangan filter pasif tegangan menengah yang telah dirancang oleh Ersalina W pada tugas akhir sebelumnya. Filter dipasang pada bus tegangan menengah 10,5 KV SP-BUS-41000 dan SP-BUS-42000 dengan menggunakan hubungan bintang (wye-connection) solid grounded.
TABEL 13
PERBANDINGAN TINGKAT DISTORSI HARMONISA TEGANGAN SEBELUM DAN SESUDAH PEMASANGAN FILTER HARMONISA
TEGANGAN MENENGAH Bus Beban THDV (%) Sebelum Pemasangan Filter MV Setelah Pemasangan Filter MV SP-BUS-41006 3,49 2,02 SP-BUS-51001 3,48 2,02 SP-BUS-51002 3,46 2,01 SP-BUS-51003 3,46 2,01 SP-BUS-51004 3,47 2,01 SP-BUS-51005 3,47 2,01 SP-BUS-52001 3,47 2,04 SP-BUS-52002 3,48 2,04 SP-BUS-53001 3,45 1,99 SP-BUS-53002 3,81 2,31 SP-BUS-54003 3,49 2,02 SP-BUS-56001 3,40 1,97 SP-BUS-56002 3,38 1,96 CPKO PLANT 3,04 1,67 AIR COMP-UTILITY 2,79 1,47 FRACT-PLANT 3,23 2,94 REFINERY-PLANT 1,97 1,67 TF-NKB 3,28 1,86 TF-KB 2,79 1,53 SNB-PLANT 4,55 3,88 WTR-RESERVOIR 2,98 1,63 BD 01 2,97 2,27 BD 02 3,59 2,92 ME FRACT 4,87 4,09 FA-01 PLANT 2,05 1,99 OLEO-TF 4,86 4,09 H2 GAS PLANT 4,82 3,83 PK-CRUSHING 01 2,85 1,53 PK-CRUSHING 02 2,93 1,60 PK-CRUSHING 03 2,93 1,60 NPK-01 PLANT 2,95 1,61 JETTY 3,06 1,71 Bus Beban THDV (%) Sebelum Pemasangan Filter MV Setelah Pemasangan Filter MV CEN-BOILER UTILITY 3,49 3,05 RO/ETP 3,10 1,72 FAL 01 PLANT 1,71 1,41 BIOREFINERY 2,71 2,25 FUTURE PK CRUSH 1,92 1,81
FUTURE SOYA BEAN 2,67 1,39
FUTURE FLOUR MILL 4,51 3,51
ELECTROLYZER 1 21,46 19,85 ELECTROLYZER 2 21,46 19,85 ELECTROLYZER 3 21,46 19,85 FA-02/03 3,68 3,56 MES 2,66 1,38 NPK 02 PLANT 2,95 1,61 CPC 02 PLANT 3,00 1,64 TABEL 14
PERBANDINGAN TINGKAT DISTORSI HARMONISA ARUS SEBELUM DAN SESUDAH PEMASANGAN FILTER HARMONISA
TEGANGAN MENENGAH Beban TDDI (%) Kondisi Harmonisa Sebelum Pemasangan Filter MV Setelah Pemasangan Filter MV CPKO 1,84 1,00 Decrease
AIR COMP 2,59 1,31 Decrease
FRACTIONARY 6,00 2,63 Decrease REFINERY 9,19 3,35 Decrease TF-KB 2,60 1,38 Decrease CPC-01 2,60 1,32 Decrease CPC-02 2,41 1,43 Decrease SNB 11,09 7,06 Decrease WTR_RESERVOIR 2,56 1,39 Decrease BD 01 10,31 4,94 Decrease BD 02 7,42 3,93 Decrease ME Fract 4,87 3,23 Decrease FA-01 6,19 3,38 Decrease FA-02/03 4,37 2,85 Decrease OLEO TF 7,62 5,83 Decrease
H2-GAS PLANT 25,00 25,53 Increase
ELECTROLYZER 1 30,64 30,65 Increase ELECTROLYZER 2 30,64 30,65 Increase ELECTROLYZER 3 30,64 30,65 Increase TF-NKB 1,20 1,86 Decrease
RO/ETP LUMP 2,54 1,40 Decrease
CEN.BOILER
UTILITY 6,46 3,71 Decrease
MES 2,08 1,08 Decrease
9 | Beban TDDI (%) Kondisi Harmonisa Sebelum Pemasangan Filter MV Setelah Pemasangan Filter MV PK-CRUSH 02 1,95 1,06 Decrease PK-CRUSH 03 1,95 1,06 Decrease NPK 01 PLANT 1,31 0,7 Decrease NPK 02 PLANT 1,31 0,7 Decrease JETTY 2,47 1,37 Decrease
FAL-01 PLANT 7,18 3,03 Decrease
BIOREFINERY 9,83 6,38 Decrease FUTURE PK-CRUSH 5,96 3,42 Decrease FUTURE FLOUR MILL 5,90 6,74 Increase FUTURE SOYA BEAN 2,07 1,08 Decrease
Terjadi penurunan tingkat distorsi harmonisa arus kecuali 5 beban yaitu beban H2-GAS PLANT, ELECTROLYZER 1,
ELECTROLYZER 2, ELECTROLYZER 3 dan FUTURE
FLOUR MILL menunjukkan kenaikan yang tidak terlalu tinggi.
V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan
Pada kondisi existing, kapasitor bank yang dipergunakan untuk koreksi faktor dayamenyebabkan fenomena resonansi paralel yang memperbesar total distorsi harmonisa sistem (harmonic amplification). Pemasangan tiga unit beban
Electrolyzer merupakan penyebab tingginya THD arus dan tegangan. Untuk mengoptimalkan faktor daya dan meredam distorsi harmonisa serta meminimalkan potensi resonansi sistem, maka perlu direncanakan filter pasif yang dipasang pada level tegangan rendah. Bus yang dipilih sebagai lokasi pemasangan filter harmonisa adalah bus Refinery Plant, BD 01, BD 02, Fractionary , Central Boiler Utility , ME Fract, OLEO TF, SNB Plant, FA-01 Plant, FA-02/03 Plant, FAL-01 Plant, Biorefinery, dan Future PK-CRUSH.
Hasil simulasi dan analisis pemasangan filter pasif dengan metode group sebagai upaya optimalisasi kualitas daya pada sistem kelistrikan PT. Wilmar Gresik didapat sebagai berikut:
1. Single Tuned Filter orde 5 dipasang pada bus
Refinery Plant, BD 01, BD 02, Fractionary , Central Boiler Utility , ME Fract, OLEO TF, SNB Plant, FA-01 Plant, FA-02/03 Plant, FAL-01 Plant, Biorefinery, dan Future PK-CRUSH untuk meredam harmonisa orde 5 dan Single Tuned Filter
orde 7 dipasang pada bus Fractionary, BD 02, Central Boiler Utility, dan ME Fract.
2. Harmonisa tegangan untuk keseluruhan sistem berhasil diturunkan. Namun masih terdapat lima unit beban yang harmonisa tegangannya cukup besar dan mendekati 5 % yaitu ME FRACT, SNB Plant, OLEO TF, H2 Gas Plant, dan Future Flour Mill. Sehingga sebagai referensi dipergunakan filter pasif hasil perancangan dari Ersa W.M, S.T yang dipasang Filter dipasang pada bus tegangan menengah 10,5 kV.
3. Terdapat delapan unit beban yang mengalami kenaikan total distorsi harmonisa arus termasuk tiga unit beban Electrolyzer sedangkan dua puluh dua unit beban lainnya berhasil diturunkan secara signifikan.
B. Saran
1. Distorsi harmonisa arus pada beban Electrolyzer
terbukti cukup efektif diredam menggunakan filter pasif yang dipasang pada level tegangan rendah dengan metode peredaman individual. Namun masih terdapat lima unit beban yang harmonisa tegangannya cukup besar dan mendekati 5 %. Sebagai tindak lanjut upaya peredaman harmonisa maka dapat diuji menggunakan filter pasif yang dipasang dengan gabungan antara metode peredaman individual dan group.
2. Seiring dengan penambahan beban serta penambahan kapasitas daya, diperlukan pula studi lebih lanjut mengenai permasalahan kualitas daya (power quality) seperti kompensasi daya reaktif dan peredamanan distorsi harmonisa untuk mengamankan peralatan tenaga listrik pada pabrik serta memperpanjang umur dari peralatan tersebut.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Kusko, Alexander, Marc T.Thompson. “Power Quality in Electrical Systems”. McGraw-Hill Companies, Inc. 2007.
[2] Werda Mukti, Ersalina. “Analisis Pemasangan Electrolyzer dan Perencanaan Filter Harmonisa Pada Sistem Kelistrikan PT. Wilmar Gresik Untuk Meredam Tingkat Distorsi Harmonisa”. Tugas Akhir. ITS. 2011.
[3] Pujiantara, Margo., “Penyempurnaan Desain Filter Harmonisa Menggunakan Kapasitor Eksisting Pada Pabrik Soda Kaustik Di Serang-Banten”, JAVA Journal of Electronics Engineering, Vol.1, no.2, pp. 18-19, 2003.
[4] Rizkytama, Ardian. “Perencanaan High Pass dan Single Tuned Sebagai Filter Harmonisa Pada Sistem Kelistrikan Tabang Coal Uograding Plant (TCUP) Kalimantan Timur”. Tugas Akhir. ITS. 2009.
RIWAYAT HIDUP
Arko Setiyo Prabowo, lahir di Surabaya pada 18 November 1989. Penulis merupakan putra pertama dari Bapak Djoko DNS dan Ibu Suciarti. Penulis menempuh pendidikan di SD Negeri Kebonsari II Surabaya, SLTP Negeri 12 Surabaya, SMA Negeri 15 Surabaya, dan melanjutkan pendidikan ke jenjang sarjana dengan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya. Penulis juga aktif menjadi fungsionaris Badan Eksekutif Mahasiswa Fakultas Teknologi Industri ITS periode 2009/2010. Penulis pernah menjadi seorang staff magang bagian operation training pembuatan modul elektrik peralatan pembuat rokok pada PT.HM SAMPOERNA, Tbk.
