PEMODELAN DAN SIMULASI FILTER AKTIF SHUNT
MENGGUNAKAN TEOREMA DAYA SESAAT
SEBAGAI KOMPENSASI HARMONIK
Nuryanda Akbar Ramadhan
1#, Amien Rahardjo
2##1,2 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia
Kampus Baru UI, Depok, 16424, Indonesia
1nuryanda.akbar@yahoo.com 2amien.elt78@gmail.com
Abstrak - Harmonik merupakan salah satu permasalahan kualitas daya berupa distorsi gelombang arus dan tegangan akibat pemakaian beban non linier. Harmonik kini menjadi perhatian karena memiliki dampak yang merugikan sistem tenaga listrik. Salah satu cara untuk mengurangi harmonik adalah penggunaan filter aktif shunt. Pada skripsi ini, penulis melakukan pemodelan dan simulasi kerja filter aktif shunt menggunakan teorema daya sesaat (pq) dimana prinsip kerjanya berdasarkan besaran daya aktif dan reaktif pada domain waktu. Besaran arus beban dideteksi filter menggunakan teknik estimasi arus referensi teorema daya sesaat (pq), lalu didapatkan besaran arus kompensasi harmonik. Selanjutnya menggunakan sistem kendali arus hysteresis, dibangkitkan arus gerbang yang akan menjadi masukan PWM inverter. PWM inverter akan membangkitkan arus kompensasi harmonik sesuai besaran arus harmonik yang dihasilkan beban dan menginjeksikan arus kompensasi harmonik secara paralel ke sistem, sehingga menghilangkan arus harmonik asli yang dihasilkan beban. Dari hasil simulasi didapatkan filter aktif shunt mampu mengurangi THD arus dari 30.56% menjadi 4.06% pada jenis pembebanan non linier murni memakai rectifier. Pada pembebanan seimbang dan tidak seimbang, filter aktif shunt juga mampu mengurangi THD arus dengan baik
Kata Kunci – harmonic, filter aktif shunt, teorema daya sesaat, kendali hysteresis
Abstract
—
Harmonic is one of some power quality problems, which distorted voltage and current waveform are occurred because of the use of non-linier loads. Nowadays, harmonic gets many attention because it has many dangerous drawbacks to power system. One of some solutions to reduce harmonic is by using shunt active filter. In this thesis, writer use harmonic modeling and simulation to show the performance of shunt active filter using instantaneous reactive power theory (pq theory), which works based on active and reactive power in time domain. Load current are detected using pq theory as reference current estimation technique. Then using hysteresis current controller, gating signal is generated. This gating signal is used by PWM Inverter to generate harmonic compensation current, which will be injected paralel to system. Harmonic current which is generated by non-linier loads will be reduced by this harmonic compensation current. From the simulation using SIMULINK, shunt active filter can performs well by reducing THD current from 30.56% to 4.06% in non liniear loads modeling using rectifier. In balanced and unbalanced loadsmodeling, shunt active filter also performs well in reducing THD current.
Keywords – shunt active filter, instantaneous reactive power theory, hysteresis current controller
I. PENDAHULUAN
Kualitas daya merupakan salah satu aspek penting dalam sistem tenaga listrik pada saat ini. Kualitas daya didefinisikan sebagai semua permasalahan daya listrik, berupa penyimpangan nilai tegangan, arus, dan frekuensi dari kondisi normalnya, yang dapat menyebabkan buruknya kinerja peralatan listrik. Kualitas daya mendapatkan perhatian lebih dengan semakin banyaknya penggunaan beban-beban berbasis elektronika daya dan beban lain yang sangat sensitif terhadap perubahan besaran listrik.
Salah satu permasalahan daya listrik yang penting diamati adalah harmonik, yakni timbulnya arus dan tegangan dengan frekuensi kelipatan frekuensi fundamentalnya. Harmonik disebabkan oleh penggunaan beban non-linier dimana hubungan antara tegangan dan arus tidak linier. Beban non-linier ini dapat berupa sumber daya satu fasa, lampu yang memakai ballast elekronik, konverter, arching device dan lain lain. Harmonik dapat berakibat pada tiap sisi sistem tenaga listrik, baik dari sisi pembangkitan sampai penerima. Di sisi pengirim harmonik dapat meningkatkan impedansi saluran transmisi sehingga meningkatkan rugi rugi saluran. Harmonik juga menyebabkan masalah berupa pemanasan pada trafo, motor dan generator. Di sisi penerima, harmonik dapat menyebabkan peralatan elektronik bekerja dengan tidak semestinya, termasuk juga putusnya sekering dan gangguan pada pemutus rangkaian.
Dengan kondisi ini, maka diperlukan peralatan yang dapat mengurangi harmonik dalam sistem tenaga listrik. Salah satu peralatan yang digunakan adalah filter aktif shunt, dimana filter aktif ini akan menginjeksikan arus untuk meniadakan arus harmonik dari beban non linier secara parallel. Penggunaan jenis filter aktif memiliki beberapa keuntungan dibandingkan filter pasif, yakni kemampuan melakukan filter arus harmonik untuk kondisi pembebanan yang berubah ubah dan kemampuan untuk mereduksi arus
reaktif, selain arus harmonik. Selain itu, filter aktif juga tidak menghasilkan bahaya resonansi, seperti filter pasif. Melihat kelebihan ini, filter aktif, terutama filter aktif shunt, lebih banyak digunakan sebagai peralatan pengurang arus harmonik, terutama setelah berkembangkan teknologi elektronika daya dalam industri ketenaga listrikan.
Berdasarkan kondisi yang telah dijabarkan diatas, Penulis mengajukan penggunaan filter aktif shunt sebagai solusi untuk mengatasi permasalahan harmonik. Maka skripsi ini akan membahas mengenai pemodelan dan simulasi filter aktif shunt untuk memfilter harmonik yang terjadi pada sistem distribusi.
II. HARMONISA
Total Harmonic Distortion ( THD ) merupakan ukuran dari nilai efektif suatu komponen harmonik dari gelombang yang terdistorsi. Atau untuk lebih jelasnya, THD merupakan jumlah perbandingan antara jumlah daya dari semua orde harmonik dengan daya pada frekuensi dasar ( orde 1 ). THD dapat dicari dengan rumus :
Rumus THD diatas dapat digunakan untuk menghitung THD tegangan maupun arus, dengan Mh merupakan besar
tegangan maupun arus pada orde h. Dengan M1 diatas adalah besar nilai tegangan atau arus pada frekuensi dasar ( h = 1 ). THD juga dapat merubah nilai RMS dari tegangan maupun arus, dan nilai RMS tersebut dapat dicari dengan rumus :
III.FILTER AKTIF SHUNT
Filter aktif shunt adalah filter aktif yang dipasang secara paralel pada PCC dan melakukan kompensasi arus harmonik yang dihasilkan beban non linier. Filter ini terdiri dari kapasitor DC-Bus, Voltage Source Inverter (VSI), Induktor dan sistem kendali. Blok cara kerja filter aktif shunt dapat dilihat pada skema gambar 2.12.
Tidak Prinsip kerja filter aktif shunt dapat dijelaskan dari blok pada skema gambar 2.12 sebagai berikut:
1. Sistem Pendeteksi Arus dan Tegangan
Filter aktif akan mendeteksi besaran arus dan tegangan beban atau sistem secara terus menerus secara secara real time. 2. Sistem Teknik Estimasi Sinyal Referensi
Pada bagian ini, input tegangan (VL) dan arus beban (IL) akan diproses dan dihasilkan arus referensi, dimana arus referensi ini adalah arus harmonik yang telah dipisahkan dengan arus
fundamental dari arus beban. Arus referensi ini akan menjadi
masukan bagi sistem pengendali arus gerbang. 3. Sistem Teknik Kendali Arus Gerbang
Pada blok ini, besaran arus referensi akan dibandingkan dengan besaran arus beban pada saat itu melalui teknik kendali untuk menghasilkan keluaran arus gerbang atau gating bagi VSI. Arus ini berguna untuk menentukan switching pada inverter agar menghasilkan arus yang sesuai dengan arus referensi
4. Sistem Voltage Source Inverter (VSI)
Setelah mendapat sinyal gating, maka VSI akan melakukan konversi arus DC dari elemen penyimpan energi (kapasitor) menjadi arus AC. VSI sendiri merupakan perangkat elektronika daya untuk switching yang dapat berupa dioda, IGBT, thyristor, dll. Untuk bekerja, VSI membutuhkan suplai daya dari elemen penyimpan energi seperti kapasitor. VSI akan menghasilkan arus kompensasi harmonik (Ic) yang besarnya sesuai dengan arus referensi
5. Sistem Interfacing Inductor
Arus kompensasi yang dihasilkan filter aktif shunt akan dialirkan ke sistem melalui induktor pada PCC. Besaran arus kompensasi (Ic) ini akan menghilangkan arus harmonik yang harus disuplai sumber bagi beban non-liniear.
IV. TEOREMA DAYA SESAAT
Teorema daya sesaat bekerja berdasarkan besaran daya aktif dan daya reaktif pada domain waktu. Besaran tegangan dan arus tiga fasa dalam kordinat abc ke koordinat αβ0 menggunakan transformasi Clarke. Lalu besaran ini didefinisikan menjadi daya sesaat yang akan menentukan besaran arus kompensasi untuk meniadakan arus harmonik dari beban non linier.
Pada transformasi Clark, tegangan dan arus tiga fasa ditransformasi menggunakan persamaan (2.6) dan (2.7) berikut. !" !" = !! 1 −1/2 −1/2 0 3/2 − 3/2 !" !" !" (2.3) !" !" = ! ! 1 −1/2 −1/2 0 3/2 − 3/2 !" !" !" (2.4) Besarnya daya sesaat dapat dituliskan sebagai berikut
! = !"#" + !"#" + !"#" (2.5)
Dari persamaan diatas, daya sesaat dapat dituliskan dalam bentuk koordinat αβ0 menjadi
!
! = −!" !"!" !" !" !" (2.6) Daya aktif dapat dituliskan sebagai:
! = !" !" + !" !" (2.7) Sedangkan daya reaktif dapat dituliskan sebagai:
! = !" !" − !" !" (2.8)
Besarnya arus kompensasi dalam koordinat αβ dituliskan !"#∗ !"#∗ =!"!!!"! ! !" −!" !" !" !" + !"#$$ −! (2.9)
Dengan menggunakan invers transformasi Clarke, maka besaran arus kompensasi dalam koordinat abc dituliskan sebagai berikut !"#∗ !"#∗ !""∗ = ! ! 1 0 −1/2 3/2 −1/2 − 3/2 !"#∗ !"#∗ (2.10) V. KENDALI HYSTERESIS
Kendali Hysteresis adalah jenis teknik kendali arus pada filter aktif dimana arus atau tegangan kompensasi filter dipaksa mengikuti besar sinyal referensi dalam suatu batas toleransi hysteresis yang biasa disebut hysteresis band. Prinsip kerja kendali ini dapat dilihat pada gambar berikut
Nilai arus atau tegangan referensi (Iref atau Vref) akan dibandingkan dengan nilai arus atau tegangan kompensasi (If atau Vf), dimana hasil perbedaan besaran ini akan dimasukan melalui hysteresis band comparator. Besaran Hysteresis band ini adalah batas atas dan batas bawah dari deviasi sinyal (H) yang didesain oleh pengendali. Hasil dari hysteresis band
comparator akan menentukan sinyal gating bagi inverter. Switching akan berlangsung bila perbedaan antara nilai If /Vf
dengan Iref/Vref menyentuh hysteresis band. Proses switching pada filter dibuat sedemikian rupa agar besarnya arus/tegangan kompensasi maksimum dibatasi pada nilai
hysteresis band H.
Terdapat dua jenis kendali hysteresis, yakni kendali hysteresis dengan fixed band dan sinusoidal band. Kendali menggunakan fixed band lebih banyak digunakan dan akan digunakan pada skripsi ini. Keuntungan pemakaian kendali
hysteresis adalah penggunaannya yang sederhana dan
kemampuannya yang baik untuk mengendalikan ripple arus puncak melalui hysteresis band. Untuk mengurangi ripple dapat dilakukan dengan mengurangi besaran H. Namun, hal ini dapat menyebabkan frekuensi switching yang lebih cepat yang menyebabkan kenaikan losses pada switching transistor.
VI. HASIL DAN ANALISIS
Simulasi dilakukan menggunakan perangkat lunak MATLAB SIMULINK. Pemodelan Simulink untuk simulasi ini adalah sebagai berikut
A. Hasil Simulasi Pemodelan Tanpa Filter Aktif Shunt
Pada pemodelan tanpa menggunakan filter aktif shunt, akan dilihat besarnya arus harmonik yang ditimbulkan beban non linier berupa rectifier tiga fasa dengan beban R-L 20 ohm – 20mH. Berikut adalah hasil simulasi pemodelan sistem pembebanan tanpa filter aktif.
Grafik THD
Dari hasil simulasi ini, dapat terlihat bahwa besarnya arus beban maksimum sebesar 27.87 A dan arus rms sebesar 19.71 A. Pada simulasi ini besarnya arus sumber setara dengan arus beban. Besarnya harmonik berupa THD arus yang terjadi sebesar 30.56%. Dari penyimpangan arus ini, orde harmonik yang menyumbang penyimpangan terbesar berturtu turut adalah Orde 5 (20.63 %), Orde 7 (13.54 %), Orde 11 (8.94%), Orde 13 (7.46%), Orde 17 (5.76%).
B. Hasil Simulasi Pemodelan Beban Non Linier Dengan
Filter Aktif Shunt
Pada pemodelan dengan menggunakan filter aktif shunt dengan pembebanan seperti keadaan sebelumnya, didapatkan THD arus berkurang dari 30.56% menjadi 4.06%. Nilai ini sudah sesuai dengan standar IEE yakni < 5%. Arus sisi beban yang belum murni sinusoidal dengan masih adanya ripple diakibatkan oleh kerja dari filter aktif shunt yang menggunakan PWM inverter yang juga menghasilkan harmonik. Harmonik dari inverter ini telah dikurang dengan penambahan induktor kopling pada PCC untuk mengurangi arus harmonik filter akibat switching dengan frekuensi tinggi., namun tidak dapat dihilangkan dengan sempurna. Berikut adalah hasil THD arus untuk beberapa orde yang menghasilkan THD terbesar. OR DE R S T THD Sebel um (%) THD Sesud ah (%) THD Sebel um (%) THD Sesud ah (%) THD Sebel um (%) THD Sesud ah (%) 3 0.1 0.06 0.1 0.06 0.1 0.11 5 20.63 0.44 20.63 0.43 20.63 0.41 7 13.54 0.49 13.54 0.53 13.54 0.54 9 8.94 0.04 8.94 0.08 8.94 0.04 11 7.46 0.63 7.46 0.65 7.46 0.65 13 5.76 0.45 5.76 0.44 5.76 0.44 Arus Kompensasi
Arus Sumber Setelah Kompensasi
C. Hasil Simulasi Pemodelan Beban Non Linier dan Beban
Linier Seimbang Dengan Filter Aktif Shunt
Pada pemodelan ini, beban non linier yang digunakan adalah rectifier tiga fasa dengan beban R-L 20 ohm-20mH. Sedangkan beban liniear yang digunakan adalah beban R-L seimbang dengan masing masing fasa sebesar 10 ohm – 10mH. Hasil simulasi dapat dilihat pada tabel berikut
OR DE R S T THD Sebel um (%) THD Sesud ah (%) THD Sebel um (%) THD Sesud ah (%) THD Sebel um (%) THD Sesud ah (%) 3 0.01 0.1 0.01 0.1 0.01 0.1 5 10.13 0.2 10.13 0.24 10.13 0.27 7 6.68 0.26 6.68 0.24 6.68 0.23 9 0.01 0.01 0.01 0.03 0.01 0.04 11 4.4 0.31 4.4 0.29 4.4 0.28 13 3.68 0.27 3.68 0.28 3.68 0.28 Dari simulasi kerja filter aktif ini, didapatkan THD arus secara umum berkurang dari 15.03% menjadi 2.12%. Sehingga dapat dikatakan telah sesuai dengan standar, yaitu < 5%.
D. Hasil Simulasi Pemodelan Beban Non Linier dan Beban
Linier Tidak Seimbang Dengan Filter Aktif Shunt Pada pemodelan ini beban non linier yang digunakan adalah rectifier tiga fasa dengan beban R-L 20 ohm-20mH. Sedangkan beban liniear tak seimbang yang digunakan masing masing sebesar 10 ohm-10 mh(Fasa R), 5 ohm-5mH (fasa S) dan 3ohm – 3mH (fasa T). Hasil simulasi dapat dilihat pada tabel dibawah ini.
ORD E R S T THD Sebel um (%) THD Sesud ah (%) THD Sebel um (%) THD Sesud ah (%) THD Sebel um (%) THD Sesud ah (%) 3 0.01 0.61 0.01 0.57 0.01 0.6 5 8.99 0.17 6.3 0.18 5.92 0.23 7 5.92 0.2 4.15 0.17 3.92 0.16 9 0.01 0.02 0.01 0.04 0.01 0.03 11 3.9 0.2 2.73 0.17 2.58 0.17 13 3.26 0.19 2.29 0.2 2.16 0.21 Didapatkan dari simulasi besarnya arus beban harmonik sebelum dikompensasi masing masing untuk fasa R,S,T sebesar 13.31%, 9.35% dan 8.82%. Besarnya THD arus lebih kecil dan berbeda untuk tiap fasa dikarenakan beban tidak seimbang yang diparalelkan dengan beban non linier rectifier tiga fasa.
VII. KESIMPULAN
Kesimpulan yang bisa penulis tarik dari penulisan skripsi ini adalah :
1 Berdasarkan hasil simulasi, filter aktif shunt
menggunakan teorema daya sesaat dapat mengurangi arus harmonik dengan baik untuk kondisi pembebanan seimbang dan pembebanan tidak seimbang
2 Filter aktif shunt menggunakan teorema daya sesaat secara umum mampu mengurangi THD arus dari 30.56% menjadi 4.06% untuk beban murni non linier
3 Untuk kondisi pembebanan seimbang, filter aktif shunt menggunakan teorema daya sesaat mampu mengurangi THD arus dari 15.03% menjadi 2.12%. Sedangkan untuk kondisi pembebanan tak seimbang, filter aktif shunt menggunakan teorema daya sesaat mampu mengurangi THD arus dari 13.31%, 9.35% dan 8.82% menjadi 1.68%, 1.68%,1.72%.
REFERENSI
[1] H. Akagi (1996), New Trends in Active Filters for
Power Conditioning. IEEE Trans. on Industry
Applications, Vol. 32, no. 6, pp. 1312-1322.
[2] Akagi, H, Wanatabe, E. Hirokazu, Aredes, M (2007),
Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning. IEEE-press.
[3] Shahbaz, Muhammad (2012). Active Harmonics
Filtering for Distributed AC System. Trondheim:
Norwegian University of Science and Technology, Department of Electrical Power Engineering, Master of Science in Electrical Power Engineering.
[4] Salam, Zainal (2006). Harmonic Mitigation using
Active Power Filter: A Technological Review. Johor:
University Teknologi Malaysia, Department of Energy Conversion, Faculty of Electrical Engineering.
[5] Jain, Nenceey, Gupta, Amit (2014), Comparison
between Two Compensation Current Control Methods of Shunt Active Power Filter. International
Journal of Engineering Research and General Science Volume 2 Issue 5.
[6] Kale, Murat, Ozdemir, Engin (2004), Adaptive
Hysteresis Band Current Controller for Shunt Active Power Filter. Izmit: Kocaeli University, Electrical
Education Department, Technical Education Faculty. [7] Putra, M. Ikhsan (2014), Harmonisa Peralatan
Rumah Tangga dan Efek Harmonisa Terhadap Penyimpangan Pembacaan kWh Meter Digital.
Depok : Fakultas Teknik, Program Studi Teknik Elektro.
[8] Roger C. Dugan, et al., Electrical Power System
Quality, McGraw Hill, New York, 2002
[9] IEEE Std 1250™-2011 (Revision of IEEE Std 1250-1995)
[10] Mohan, N., Undeland, T. M., & Robbins, W. P. (2003). Power Electronics : Converters, Applications,
and Design. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
[11] Chapman, Stephen J. (2005). Electric Machinery
