Analisis Unjuk Kerja Filter Pasif dan Filter Aktif pada Sisi Tegangan Rendah di Perusahaan Semen Tuban, Jawa Timur

(1)

Abstrak— Sistem kelistrikan di perusahaan semen Tuban memiliki karakteristik beban motor yang menggunakan VFD. Akibatnya terjadi permasalahan harmonisa tegangan dan arus yang melebihi standar IEEE 519-1992. Hal tersebut berpengaruh langsung kepada kualitas daya yang dimiliki oleh Perusahaan Semen Tuban. Dalam penelitian ini membahas analisis unjuk kerja filter pasif dan filter aktif yang akan dipasang di sisi tegangan rendah dari sistem kelistrikan Perusahaan Semen Tuban dalam meredam distorsi harmonisa. Dimana dalam analisanya filter pasif yang digunakan yaitu single tuned filter, sedangkan untuk filter aktif ditekankan untuk mengatasi orde dominan kelima. Kinerja masing-masing filter tersebut akan dilihat pada sisi tegangan rendah (0.4kV) tepatnya pada bus 834.LV23A, 834.LV241, 834.LV271, 834.LV272.

Kata Kunci—Harmonisa, Filter Aktif, Filter Pasif

I. PENDAHULUAN

ada Industri beban nonlinear yang sangat berpengaruh dalam menimbulkan harmonisa antara lain Variable

Frequency Drives (VFD), rectifier, inverter, Uninterruptible Power Supply (UPS), lampu ballast, komputer[2]. Beban

nonlinear tersebut merusak sinyal sinusoidal yang ada menjadi tidak beraturan karena sinyal tersebut mengandung banyak orde frekuensi

Pada perusahaan semen Tuban, kebanyakan beban non linear yang mengkontribusikan gangguan harmonisa adalah

Variable Frequency Drive (VFD). Industri ini menggunakan

VFD untuk mengatur kecepatan motor pada saat awal dinyalakan agar arus starting motor tidak terlampau tinggi. Penggunaan Filter Harmonisa sangat dibutuhkan untuk meredam nilai distorsi harmonisa yang terjadi pada perusahaan semen Tuban. Pada penelitian ini akan dibahas mengenai perbandingan penggunaan filter aktif dan pasif pada sisi tegangan rendah. Untuk memperbaiki kualitas daya pada pabrik semen Tuban yang mana masing-masing filter memiliki keuntungan dan kerugian tersendiri.

II. HARMONISA

A. Faktor Daya dan Perbaikannya

Faktor daya merupakan ukuran daya yang dikirim antara sumber dan beban. Komponen daya aktif umumnya konstan sedangkan komponen KVA dan KVAR berubah sesuai dengan faktor daya. Rating kapasitor yang diperlukan untuk

memperbaiki faktor daya dapat dituliskan sebagai berikut: ∆𝑄 = 𝑃 𝑥 (𝑡𝑎𝑛𝜃1− 𝑡𝑎𝑛𝜃2) (1)

B. Pengertian Harmonisa

Dalam sistem tenaga listrik yang ideal, bentuk gelombang tegangan dan arus yang disalurkan ke peralatan konsumen berupa sinusoidal murni[5]. Di Indonesia pembangkitan listrik menggunakan frekuensi 50 Hz. Penggunaan beban-beban non linear menyebabkan gelombang sinusoidal terdistorsi.

Harmonisa sistem tenaga didefinisikan sebagai komponen sinusoidal tegangan dan arus yang mempunyai frekuensi kelipatan bilangan bulat (integer) dari frekuensi dasar pada kondisi steady state. Maka kesimpulannya bahwa harmonisa ke-n merupakan kelipatan n dari frekuensi fundamental.

C. Sumber-Sumber Harmonisa

Pada sistem tenaga listrik, harmonisa dapat disebabkan oleh peralatan-peralatan berikut ini[9]:

• Konverter

• Tanur Busur Listrik (Electric Arc Furnace) • Transformator

• Mesin-Mesin Berputar • Rectifier

D. Distorsi Harmonisa

Total Harmonic Distortion (THD) merupakan hasil akumulasi keseluruhan komponen harmonisa yang terjadi pada komponen fundamental, berikut perhitungannya:

𝑇𝐻𝐷 =�∑ 𝑈𝑘2 𝑛� 1 2 𝑈1 𝑥100% (2) dimana : Un U : komponen harmonisa 1

k : komponen harmonisa maksimum yang diamati : komponen fundamental

Berikut disajikan standar dari IEEE Std. 519-1992 dalam menentukan limit distorsi harmonisa tegangan yang dibedakan berdasarkan tingkat tegangan.

Analisis Unjuk Kerja Filter Pasif dan Filter Aktif

pada Sisi Tegangan Rendah di Perusahaan Semen

Tuban, Jawa Timur

Jonathan Herson Ruben, Rony Seto Wibowo, dan Ontoseno Penangsang

Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

E-mail: ontosenop@ee.its.ac.id

(2)

Tabel 1. Limit distorsi tegangan berdasarkan IEEE Std 519-1992

Tegangan Bus Pada PCC

Distorsi Tegangan Individual (%) THD (%) 69 kV dan ke bawah 3,0 5,0 69,001 kV sampai 161 kV 1,5 2,5 161,001 kV dan ke atas 1,0 1,5 E. Filter Harmonisa

Berdasarkan cara kerjanya, filter dibedakan menjadi dua yaitu filter aktif dan filter pasif. Filter aktif disusun dari peralatan – peralatan elektronika daya seperti PWM.

F. Filter Aktif

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.

Penyearah Beban Filter Aktif Sumber AC S I F I P I

Gambar 1. Gambar pemakaian filter aktif

G. Perencanaan Single Tuned Filter Orde 5

Filter dengan penalaan tunggal menala salah satu orde harmonisa biasanya pada orde harmonisa rendah. Kualitas sebuah filter (Q) ditentukan dari ketajaman penalaannya. Nilai Q yang tinggi ditala secara tajam pada satu frekuensi harmonisa yang rendah (contohnya ke-5) dan nilai yang umum digunakan antara 30 dan 60.

(a) (b)

Gambar 2. Rangkaian single tuned shunt filter (a) dan Grafik fungsi frekuensi terhadap impedansi single tuned shunt filter (b)

III. SISTEMKELISTRIKANEKSISTING

Pada sistem kelistrikannya di perusahaan semen Tuban hanya berasal dari suplai langsung dari sumber PLN pada level tegangan 150 kV. Dimana nantinya daya oleh PLN tersebut akan diturunkan pada level tegangan beban yaitu 6.3 kV dan o.4 kV. Perusahaan semen Tuban mengkonsumsi daya sebesar 50 MVA.

Distorsi harmonisa yang terjadi pada perusahaan semen Tuban terjadi akibat VFD (Variable Frequency Drive) yang terpasang pada beberapa motor. Menyebabkan nilai distorsi harmonisa melebihi standar IEEE Std. 519-1992, dengan orde dominan 5.

IV. HARMONISA,FILTERAKTIFDANFILTERPASIF

A. Simulasi Sistem dengan Penambahan Capacitor Bank

Penambahan capacitor bank dilakukan untuk mengganti filter pasif pada bagian medium voltage. Data-data mengenai aliran daya diambil saat beban dalam kondisi normal. Pada keadaan ini didapat data bahwa sistem memerlukan pasokan daya sebesar 47,440 MW yang diperoleh dari Grid PLN, dengan faktor daya 91.94%.

Berikut diperoleh tingkat distorsi harmonisa tegangan pada kondisi penambahan kapasitor bank.

Tabel 2. THD tegangan bus capacitor bank terpasang

Bus Beban Rated

kV THDV (%) Standar IEEE (%) Kondisi

BUS-834.TM23B 6.3 7.52 5 Exceeds Limit ER23A-834.MV23A2 6.3 8.09 5 Exceeds Limit ER26-834-MV261 6.3 5.07 5 Exceeds Limit ER27-834-MV271 6.3 8.23 5 Exceeds Limit ER27-834-MV272 6.3 8.22 5 Exceeds Limit ER28-834-MV281 6.3 8.20 5 Exceeds Limit ER-23B-834.MV23B 6.3 7.51 5 Exceeds Limit ER-23C-834.MV23C 6.3 7.50 5 Exceeds Limit SUB-XII-824-MV122 6.3 7.50 5 Exceeds Limit SUB-XIV-824-MV142 6.3 8.20 5 Exceeds Limit 834.LV23A 0.4 9.71 5 Exceeds Limit 834.LV23B 0.4 7.30 5 Exceeds Limit 834.LV23C 0.4 7.27 5 Exceeds Limit 834.LV241 0.4 6.97 5 Exceeds Limit 834.LV254 0.4 5.50 5 Exceeds Limit 834.LV271 0.4 9.76 5 Exceeds Limit 834.LV272 0.4 9.49 5 Exceeds Limit BUS-834-LV281 0.4 7.79 5 Exceeds Limit

Dari tabel diatas didapatkan banyak bus yang mengalami distorsi harmonisa. Dibutuhkan sedikitnya 7 filter pada sisi tegangan rendah dan juga tambahan filter pasif pada sisi tegangan menengah.

B. Kondisi Existing

Untuk penentuan penggunaan kasus yang mana dalam mendesain filter perlu juga kita ketahui kondisi existing di perusahaan semen Tuban Kondisi ini disaat filter MV telah terpasang pada bus ER-23B-834.MV23B, ER24-834-MV241, ER26-834-MV261, ER25-834-MV251, ER25-834-MV252, ER27-834-MV271, ER27-834-MV272 dan bus

(3)

ER23A-835-MV23A2.

Pada keadaan ini didapat data bahwa sistem memerlukan pasokan daya sebesar 47,630 MW yang diperoleh dari Grid PLN, dengan faktor daya 95%. Selanjutnya akan disajikan THD pada bus yang mengalami gangguan harmonisa melebihi standar IEEE std 519-1992.

Tabel 3. THD tegangan bus kondisi existing

kV THDV (%) Standar IEEE (%) Kondisi 834.LV23A 0.4 5.34 5 Exceeds Limit 834.LV271 0.4 5.04 5 Exceeds Limit

Secara rinci orde harmonisa tegangan dominan keseluruhan sistem kelistrikan yang melebihi standar tersaji dalam Tabel 4 di bawah ini, dan ditampilkan gambar spektrum pada bus 834.LV23A.

Tabel 4. IHD tegangan bus kondisi existing

Bus Beban Standar IHD _{IEEE (%)} Orde yang melebihi _standar

834.LV23A 3 5

834.LV241 3 5

834.LV271 3 5

834.LV272 3 5

Gambar 3. Spektrum harmonisa tegangan bus 834.LV23A existing

C. Perencanaan Filter Pasif Harmonisa

Pada tahap ini akan dilakukan perencanaan filter pasif dengan menggunakan analisis harmonisa pada kondisi

existing. Filter yang akan digunakan untuk meredam

harmonisa berjenis Single Tuned karena hanya ada 1 orde yang dominan. Filter akan dipasang pada sisi tegangan rendah 0,4 KV dengan hubungan delta (delta connection) . Filter pasif akan dipasang pada bus 834.LV23A, 834.LV241, 834.LV271, 834.LV272. Berikut dipaparkan perhitungan salah satu filter pasif pada bus 834.LV23A.

Perencanaan Perbaikan Faktor Daya Bus 834.LV23A

Bus 834.LV23A memiliki faktor daya 85 % lagging. Perbaikan faktor daya pada bus ini direncanakan hingga mencapai 98%. Daya reaktif yang akan diinjeksikan ke sistem

kelistrikan perusahaan semen Tuban melalui bus 834.LV23A diperoleh dari perhitungan di bawah ini:

∆𝑄 = 𝑃𝑥(tan 𝜃1− tan 𝜃2) (1)

∆𝑄 = 𝑃𝑥(tan(𝑐𝑜𝑠−1_{𝑃𝐹 𝑙𝑎𝑚𝑎) − tan( 𝑐𝑜𝑠}−1_{𝑃𝐹 𝑏𝑎𝑟𝑢))}

∆𝑄 = 959 (tan( 𝑐𝑜𝑠−1_{0,85) − tan( 𝑐𝑜𝑠}−1_0,98))

∆𝑄 = 399,60 𝑘𝑉𝐴𝑅

Besarnya daya reaktif yang akan diinjeksikan ke bus 834.LV23A adalah sebesar 399,60 kVAR dan dibulatkan menjadi 400 kVAR. Akan tetapi karena grounding dengan hubungan delta (delta connection) maka besar kapasitor dibagi tiga karena injeksi kVAR pada hubungan ini bernilai 3 kali dari hubungan bintang (wye connection) sehingga nilai kapasitor yang digunakan untuk meredam harmonisa bus ini sebesar 134 kVAR.

Perhitungan Single Tuned Filter Orde 5

Single Tuned Filter Orde 5 pada ETAP 7.5 menggunakan parameter satu fasa dan juga memperhitungkan

capacitor bank yang ada di pasaran sehingga kompensasi

daya reaktif sebesar 50 kVAR dipasang pada level tegangan

phasa 0,23 kV. Perhitungan nilai-nilai dari komponen

kapasitor, induktor, dan resistor adalah sebagai berikut: a. Kapasitor (C)

Diketahui frekuensi fundamental sistem kelistrikan perusahaan semen Tuban menggunakan frekuensi 50 Hz.

𝑘𝑉𝐴𝑅 =𝑉𝑝2 𝑋𝐶 𝑘𝑉𝐴𝑅 = 𝑉𝑝2𝜔0𝐶 𝐶 =_𝜔𝑘𝑉𝐴𝑅 0𝑉𝑝2 𝐶 =_{(2 𝜋 50)(0,23𝑥 10}50 𝑥 103 3₎2= 3010𝜇𝐹 b. Induktor (L)

Orde yang diredam adalah orde 5, sehingga dipilih frekuensi tuning sebesar 250 Hz. Akan tetapi diberi toleransi sampai 247 Hz, yang bertujuan untuk mendapatkan performa filter yang maksimal.

𝑋𝐿= 𝑋𝐶 = 𝑋0 𝜔𝑛𝐿 =_𝜔1_𝑛_𝐶 𝐿 =_(𝜔1 𝑛)2𝐶= 1 (2 𝜋 247)2_{3010 𝑥 10}−6= 1,3807𝑥 10−4 𝐻 𝑋𝐿= 𝜔0𝐿 = 2 𝜋 50 (1,3807𝑥 10−4) = 0,0433 Ω c. Resistor (R)

Faktor kualitas filter (Q) untuk jenis Single Tuned Filter berada dalam rentang 30 sampai 60 dan dipilih Q = 40. Maka nilai resistornya adalah:

𝑄 =𝑋0 𝑅 𝑅 =𝑋𝐿 𝑄 = 0,0433 40 = 0,001084 Ω

Setelah dilakukan perhitungan yang sama pada bus 834.LV241, 834.LV271, 834.LV272 maka didapat hasil:

(4)

Tabel 5. Desain filter pasif harmonisa di sisi tegangan rendah

ID Bus ID Filter Keterangan

834.LV23A HF-LV23A

0.23 kV Harmonic Filter (Single Tuned) 0.23 kV, 3Phase, 50 Hz, 50kVAR tuning frequency =250 Hz, Q factor 40 XL= 0.0433 Ω; C= 3010μF; R= 0.0010Ω

834.LV241 HF-LV241

834.LV271 HV-LV271

0.23 kV Harmonic Filter (Single Tuned) 0.23 kV, 3Phase, 50 Hz, 62.5kVAR tuning frequency =250 Hz, Q factor 40 XL= 0.0346 Ω; C= 3762 μF; R= 0.0008Ω

834.LV272 HF-LV272

Tabel 6. THD bus filter pasif terpasang

kV THDV (%) Standar IEEE (%) Kondisi 834.LV23A 0.4 2.68 5 Safe 834.LV241 0.4 2.63 5 Safe 834.LV271 0.4 2.41 5 Safe 834.LV272 0.4 2.41 5 Safe

Setelah dipasang filter pasif diketahui bahwa seluruh bus di sistem kelistrikan perusahaan semen Tuban, nilai total distorsi harmonisa tegangannya sudah memenuhi standar IEEE Std. 519-1992.

D. Filter Aktif Harmonisa

Pada tahap ini digunakan filter aktif pada sisi tegangan rendah untuk meredam harmonisa. Pemodelan filter aktif menggunakan program lainnya, yang lalu diambil data penurunan tingkat distorsi harmonisanya. Tahap selanjutnya melihat distorsi harmonisa sistem kelistrikan perusahaan semen Tuban, dimana pemasangan filter aktif pada bus 834.LV23A, 834.LV241, 834.LV271, 834.LV272.

Berikut akan disajikan pemodelan filter aktif, dengan beban non linear dan parameter filter aktif yang digunakan dalam simulasi ini.

Tabel 7. Data beban nonlinear

Beban non linear Nilai

Capacitor 0.94 mF Induktor 2.5 mH Resistor 25 Ω

Tabel 8. Parameter filter aktif

Elemen Parameter VDC 600 V L1 0,5 mH L2 2 mH R 0,1 Ω C 3 μF Kp 2 Ki 0,0001 Frekuensi carrier (fc) 10000 Hz

Gambar 4. Simulasi filter aktif

Data penurunan tingkat distorsi harmonisa pada simulasi ini digunakan sebagai dasar penurunan tingkat distorsi harmonisa pada sistem kelistrikan perusahaan semen Tuban. Dibawah akan ditunjukkan tabel penurunan tingkat distorsi harmonisa setelah dipasang filter aktif.

Tabel 9. Nilai distorsi harmonisa arus dari simulasi

Harmonisa Filter belum

terpasang (%) Filter Terpasang(%) THDI (%) 20 7 IHD Orde 5 19,8 3,2 IHD Orde 7 7,3 2,09 IHD Orde 11 2,2 0,6 IHD Orde 13 1,8 0,2

Setelah didapatkan penurunan tingkat distorsi harmonisa. maka dilakukan simulasi untuk sistem kelistrikan perusahaan semen Tuban dengan memasukkan penurunan distorsi harmonisa di atas. Tabel berikut memperlihatkan hasil harmonisa tegangan pada bus 834.LV23A, 834.LV241, 834.LV271, 834.LV272.

Tabel 10. THD bus filter aktif terpasang

kV THDV (%) Standar IEEE (%) Kondisi 834.LV23A 0.4 2.23 5 Safe 834.LV241 0.4 2.08 5 Safe 834.LV271 0.4 1.98 5 Safe 834.LV272 0.4 1.95 5 Safe

(5)

E. Unjuk Kerja Filter Pasif dan Filter Aktif

Berikut disajikan data perbandingan antara filter aktif dan filter pasif pada bus yang terpasang filter harmonisa.

Tabel 11. THD tegangan dari unjuk kerja filter aktif dan filter pasif

Bus Beban THDV (%) Kondisi existing Setelah Pemasangan Filter Pasif Setelah Pemasangan Filter Aktif 834.LV23A 5.34 2.68 2.23 834.LV241 4.86 2.63 2.08 834.LV271 5.04 2.41 1.98 834.LV272 4.87 2.41 1.95

Tabel 12. THD arus dari unjuk kerja filter aktif dan filter pasif

Bus Beban THDI (%) Kondisi existing Setelah Pemasangan Filter Pasif Setelah Pemasangan Filter Aktif 834.LV23A 8.45 2.75 2.81 834.LV241 6.31 2.06 2.28 834.LV271 5.42 1.70 1.78 834.LV272 5.90 1.88 2.00

Tetapi pada filter aktif tidak mengompensasi daya reaktif kepada sistem sehingga terjadi perbedaan di bus main

substation yang disajikan pada tabel 13.

Tabel 13. PF pada mainsub dari unjuk kerja filter aktif dan filter pasif

Bus Beban kV PF (%)

Filter Pasif

PF (%) Filter Aktif

BUS PLN 150 96.4 95.0 MAIN BUS 1 TUBAN IV 150 96.4 95.0

V. KESIMPULAN/RINGKASAN

Dari hasil unjuk kerja masing-masing filter harmonisa didapat sebagai berikut:

1. Filter pasif Single Tuned Filter orde 5 yang terpasang pada bus 834.LV23A, 834LV241, 834LV271, 834LV272 telah berhasil meredam distorsi harmonisa orde 5 yang terjadi pada bus tersebut. Begitu juga filter aktif jika dipasang pada bus tersebut berhasil menurunkan distorsi hingga ±2%

2. Untuk Faktor daya pada main substation filter pasif bekerja lebih baik dibandingkan filter aktif karena menyuplai daya reaktif ke sistem sehingga faktor daya pada bus BUS PLN menjadi 96.4%. 3. Harmonisa arus dan tegangan untuk keseluruhan

sistem berhasil diturunkan, khususnya pada bus 834.LV23A, 834LV241, 834LV271, 834LV272,

sehingga berada di bawah standar IEEE Std. 519-1992. Akan tetapi filter aktif lebih baik bekerja dalam meredam distorsi harmonisa tegangan dibandingkan menggunakan filter pasif dengan selisih rata-rata 0.4%.

DAFTARPUSTAKA

[1] IEEE Std. 18-2002. “IEEE Standard for Shunt Power Capacitors”. [2] IEEE Std. 519-1992. “IEEE Recommended Practices and Requirements

for Harmonic Control in Electrical Power Systems”.

[3] IEEE Std. 1159.3-2003. “IEEE Recommended Practice for the Tranfer

of Power Quality Data”.

[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.

[5] Stevenson, William D, “Analisis Sistem Tenaga Listrik ”, Diterjemahkan oleh Kamal Idris, Erlangga, Jakarta.1983.

[6] 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.

[7] MCGranaghan, Mark. “Active Filter Design and Specification for

Control of Harmonics in Industrial and Comercial Facilities”. USA.

[8] Fourier, J.B.J. “Theorie analytique de la chaleur”. Paris.1822. [9] IEEE Std. 1531-2003. “Guide for Application and Specification of