JEECAE. Journal Of Electrical, Electronic, Control and Automotive Engineering. Volume 1, No.1, Oktober 2016 ISSN e-issn

(1)

JEECAE

Journal Of Electrical, Electronic, Control

and Automotive Engineering

Penerbit :

(2)

JEECAE

Journal Of Electrical, Electronic, Control

and Automotive Engineering

Volume 01,No.1, Oktober 2016

Dewan Redaksi

Pelindung

: Direktur

Penanggung Jawab

: Ketua Jurusan Teknik

Ketua Redaksi

: Basuki Winarno, S.T.,M.T. (Power System)

Penyunting

: Ir. Gigih Prabowo, M.T. (Power Electronic)

M.Erik Echsony, S.ST.,M.T. (Predictive Control System)

Asih Setiarini, S.T.,M.Sc. (Electronic)

Redaktur

: Ardian Prima Atmaja, S.Kom.,M.Cs. (Computer Science)

Hanum Arrosida, S.ST.,M.T. (Automation System)

Sekretariat

: Yustina Rachma Sakti, A.Md.

Ariati Winda Nintias, A.Md.

Linda Yulia Krismawati, A.Md.

Pelindung

: Direktur

Penanggung Jawab

: Ketua Jurusan Teknik

Ketua Redaksi

: Basuki Winarno, S.T.,M.T. (Power System)

Penyunting

: Ir. Gigih Prabowo, M.T. (Power Electronic)

M.Erik Echsony, S.ST.,M.T. (Predictive Control System)

Asih Setiarini, S.T.,M.Sc. (Electronic)

Redaktur

: Ardian Prima Atmaja, S.Kom.,M.Cs. (Computer Science)

Hanum Arrosida, S.ST.,M.T. (Automation System)

Sekretariat

: Yustina Rachma Sakti, A.Md.

Ariati Winda Nintias, A.Md.

Linda Yulia Krismawati, A.Md.

(3)

JEECAE

Journal Of Electrical, Electronic, Control

and Automotive Engineering

Volume 01,No.1, Oktober 2016

Daftar Isi

Dewan Redaksi...i

Daftar Isi ...ii

Analisis Simulasi Power System Stabilizers (PSS) pada Single Machine Damping

System ...1

Optimalisasi Daya Pembangkit Listrik Tenaga Angin Turbin Sumbu Horizontal

dengan Menggunakan Metode Maximum Power Point Tracker

7 Kajian Harmonisa Arus pada Gedung M.Nuh Lantai 3 Politeknik Negeri Madiun 13

Sistem Kendali Arah pada Robot Berstruktur Origami dengan Variasi Gangguan Roda

Berbasis Gyrorate Sensor

19 Pengendalian Gerak Robot Penghindar Halangan Menggunakan Citra dengan

Kontrol PID

25 Decision Support System untuk Pelayanan Gangguan Listrik Pelanggan

31 Monitoring Perbandingan Kualitas Air Danau dan PDAM Menggunakan Sensor

Turbidity, pH, dan Suhu berbasis Web

37 Studi Eksperimen Pengaruh Variasi Perubahan Sudut Injektor pada System EFI

Terhadap Performa Motor 4 Langkah

47 Pengaruh Variasi Diameter Pulley Alternator dan Daya Motor Terhadap Arus dan

Kecepatan Proses Pengisian Baterai 12 Volt

53 Pengaruh Penggunaan Panas Gas Hasil Pembakaran Terhadap Penguraian Gas CO

(Karbon Monoksida) Menjadi C (Karbon) dan O (Oksigen) pada Asap Knalpot

Sepeda Motor dengan Adsorben Zeolit

59 Kekuatan Sambungan AL/CFRP Menggunakan Adhesif Epoksi/Serbuk-AL dengan

Variasi Pressure Level

65 Studi Eksperimen Rancang Bangun Rangka Jenis Ladder Frame pada Kendaraan

Sport

71 ...

.

...

2

Dewan Redaksi...i

Daftar Isi ...ii

Analisis Simulasi Power System Stabilizers (PSS) pada Single Machine Damping

System ...1

Optimalisasi Daya Pembangkit Listrik Tenaga Angin Turbin Sumbu Horizontal

dengan Menggunakan Metode Maximum Power Point Tracker ... 7

Kajian Harmonisa Arus pada Gedung M.Nuh Lantai 3 Politeknik Negeri Madiun .13

Sistem Kendali Arah pada Robot Berstruktur Origami dengan Variasi Gangguan Roda

Berbasis Gyrorate Sensor ...19

Pengendalian Gerak Robot Penghindar Halangan Menggunakan Citra dengan

Kontrol PID ...25

Decision Support System untuk Pelayanan Gangguan Listrik Pelanggan ...31

Monitoring Perbandingan Kualitas Air Danau dan PDAM Menggunakan Sensor

Turbidity, pH, dan Suhu berbasis Web ...37

Studi Eksperimen Pengaruh Variasi Perubahan Sudut Injektor pada System EFI

Terhadap Performa Motor 4 Langkah ...47

Pengaruh Variasi Diameter Pulley Alternator dan Daya Motor Terhadap Arus dan

Kecepatan Proses Pengisian Baterai 12 Volt ...53

Pengaruh Penggunaan Panas Gas Hasil Pembakaran Terhadap Penguraian Gas CO

(Karbon Monoksida) Menjadi C (Karbon) dan O (Oksigen) pada Asap Knalpot

2

Sepeda Motor dengan Adsorben Zeolit ...59

Kekuatan Sambungan AL/CFRP Menggunakan Adhesif Epoksi/Serbuk-AL dengan

Variasi Pressure Level ...65

Studi Eksperimen Rancang Bangun Rangka Jenis Ladder Frame pada Kendaraan

Sport ...71

(4)

Analisis Simulasi Power System Stabilizers (PSS) pada

Single Machine Damping System

R. Jasa Kusumo Haryo

Politeknik Negeri Madiun Madiun, Indonesia e-mail: [email protected]

Sukamto

Politeknik Negeri Madiun Madiun, Indonesia e-mail: [email protected]

Abstrak — Untuk menyuplai kebutuhan energi listrik dibutuhkan kemampuan pada sistem pembangkit yang dapat dihandalkan, hal ini berpengaruh pada kualitas daya listrik yang disalurkan kepada konsumen tersebut. Untuk memperoleh daya listrik yang berkualitas dibutuhkan pengaturan sistem pada sisi pembangkit yang efektif dan efisien. Maka dari itu perlu dilakukan pengaturan desain pada pembangkit yang dalam hal ini generator pembangkit sehingga didapatkan generator yang benar-benar baik dan dapat dihandalkan kualitasnya. Untuk mendapatkan hasil terbaik, maka dilakukan simulasi pada sisi generator sebagai wujud perkembangan teknologi yang pada akhirnya dengan memanfaatkan perkembangan teknologi pada sistem tenaga listrik akan lebih mudah dalam mendesain dan memperoleh hasil sesuai dengan yang diinginkan.

Kata kunci— simulasi, kualitas daya, generator, Power System

Stabilizers (PSS).

I. PENDAHULUAN

Generator pembangkit memiliki banyak komponen yang berpengaruh terhadap kualitas daya listrik yang dihasilkan. Pada Generator Sinkron ada 2 (dua) bagian pengontrol yang digunakan sebagai umpan balik untuk pengaturan generator, yaitu tegangan dan frekuensi.

Pada makalah ini akan dibahas pemodelan pada sistem eksitasi generator pembangkit menggunakan Power System Stabilizers (PSS) untuk

menganalisis kestabilan sistem pembangkit tenaga listrik dari sisi pengaturan medan generator.

Penelitian ini membahas tentang simulasi Power System Stabilizers (PSS) pada generator sistem pembangkit tenaga listrik dalam menyuplai energi kepada konsumen. Simulasi dilakukan pada sistem tenaga listrik yang dapat meredam osilasi daya sehingga pada sistem pembangkit tidak dijumpai lagi adanya osilasi daya yang tentunya sangat berpengaruh terhadap kinerja pembangkit.

Untuk meredam osilasi daya pada sistem pembangkit, dalam penelitian ini akan dilakukan metode simulasi dengan software MATLAB pada sistem generator pembangkit yang dilengkapi PSS. Hasil dari penelitian ini adalah osilasi daya yang teredam dengan ditandai settling time yang cepat dan overshoot yang rendah sehingga akan diperoleh respon frekuensi pada pembangkit yang baik.

Tujuan dari sistem eksitasi pada generator adalah untuk mengontrol arus medan generator sinkron tersebut. Simulasi yang dilakukan menggunakan Matlab/Simulink untuk memodelkan sistem eksitasi generator menggunakan PSS.

II. METODOLOGI

A. Model Linear Sistem Tenaga Listrik

Model linear sistem tenaga listrik digunakan untuk menganalisis perilaku sistem akibat gangguan kecil, seperti perubahan beban yang kecil. Pada saat terjadi gangguan, sistem cenderung untuk menuju kondisi operasi yang baru. Selama terjadi perubahan dari kondisi awal ke kondisi operasi yang baru, sistem mengalami osilasi. Jika perubahan variabel state sistem sangat kecil (perubahan parameter xi dari xi0

sampai xi0+∆xi, dengan ∆xi adalah perubahan dari parameter xi

yang kecil), maka sistem beroperasi di dekat daerah kondisi awal. Kondisi awal sistem dapat dianggap sebagai kondisi operasi awal yang tetap.

Untuk menguji perilaku sistem saat terjadi gangguan kecil, persamaan sistem dilinearisasi dengan kondisi awal yang tetap. Dengan cara linearisasi, persamaan linear dapat diperoleh dari persamaan sistem. Persamaan linear baru yang diperoleh, diasumsikan valid dalam daerah dekat kondisi awal yang tetap.

Sebagai contoh, diberikan perkalian xixj. Variabel xi dan xj

mempunyai kondisi awal xi0 dan xj0 yang dapat

direpresentasikan sebagai nilai perubahan ∆xi dan ∆xj. Kondisi

awal perkalian ini adalah xi0xj0.

B. Transformasi Park

Transformasi Park digunakan untuk menyederhanakan model matematik dari generator sinkron. Dalam transformasi tersebut, didefinisikan variabel baru yang diperoleh dari hasil proyeksi tiga variabel yang ada. Variabel baru itu adalah d (direct axis), q (quadrature axis), dan stationary axis. Transformasi dikembangkan secara matematik diperlihatkan pada pada Gambar 1.

(5)

Arah putaran Sumbu d Sumbu q Sumbu a Sumbu b Sumbu c  Q i Q i D i iF D i F i b i c i a i sa sc sb fb fc fa ' n ' n ' n

Gambar 1. Representasi Mesin Sinkron

Dari Gambar 1 dapat diperoleh besaran-besaran dalam sumbu d, q yang diproyeksikan dari sumbu a, b, dan c yang ada. Jika arus ia, ib, dan ic dinyatakan dalam koordinat d, q,

maka dapat diperoleh Persamaan sebagai berikut:

)] 3 / 2 sin( ) 3 / 2 sin( sin )[ 3 / 2 (        _a _b _c q sumbu i i i i (2.3) )] 3 / 2 cos( ) 3 / 2 cos( cos )[ 3 / 2 (        _a _b _c d sumbu i i i i (2.4) Dalam tranformasi ini, sumbu a dijadikan sebagai

sumbu referensi. Pengaruh Tranformasi Park adalah pengubahan semua besaran stator dalam phasa a, b, c ke dalam besaran baru yang bergerak bersama rotor. Jika terdapat tiga variabel ia, ib, ic maka diperlukan tiga variabel baru.

Tranformasi Park menggunakan dua variabel baru dalam sumbu d, q dan satu variabel lagi berupa arus stasioner yang sebanding dengan arus urutan nol. Bentuk matematik dari Transformasi Park adalah sebagai berikut,

abc odq Pi i  (2.5) dengan,                  ) 3 / 2 sin( ) 3 / 2 sin( sin ) 3 / 2 cos( ) 3 / 2 cos( cos 2 / 1 2 / 1 2 / 1 3 2           P ,            q d o odq i i i i dan            c b a abc i i i i

Transformasi di atas juga berlaku untuk besaran tegangan dan fluks bocor. Transformasi tersebut digunakan untuk memodelkan generator yang akan disimulasikan dalam penelitian ini.

C. Model Linear Generator Sinkron

Dalam penelitian ini disimulasikan model linear generator sinkron karena model generator yang ada masih dalam bentuk nonlinear . Model generator harus dilinearisasi sehingga men-jadi model linear generator. Model generator sinkron terdiri

dari beberapa persamaan yang membentuk suatu model generator.

Persamaan tegangan sumbu d dalam p.u sebagai berikut,

D R D F R F d R d Q Q q q d d i M i M k i L i M k i L ri v                (2.6)

Persamaan tersebut dapat dilinearisasi dengan proses sebagai berikut,



vd0vd



r



id0id

 

0



Lq



iq0iq













i_d i_d



R d L Q i Q i Q M k       ₀ ₀ ₀   







i_D i_D



R D M F i F i R F M k       ₀ ₀   (2.7)

Dengan menguraikan Persamaan di atas, maka didapat Persamaan sebagai berikut.



v_d₀v_d







ri_d₀₀L_qi_q₀₀kM_Qi_Q₀L_di_d₀kM_Fi_F₀



r id Lq iq iq Lq kMQiQ D i D kM ₀   ₀   ₀ ₀   D D F F d d Q Q kM L i kM i kM i i         ₀ 

Pada Persamaan di atas, nilai vdo sama dengan nilai suku di

dalam kurung di sisi kanan. Sehingga persamaan perubahan vd

dapat dituliskan menjadi Persamaan berikut.





            v_d r i_d ₀L_q i_q ₀kM_Qi_Q i_q₀L_q i_Q₀kM_Q D D F F d d i kM i kM i L      

Jika q0 = (iq0Lq + iQ0kMQ), maka Persamaan di atas dapat

dituliskan sebagai berikut.

            v_d r i_d ₀L_q i_q ₀kM_Qi_Q _q₀ D D F F d d i kM i kM i L      

Dengan cara yang sama, persamaan perubahan tegangan pada sumbu q dapat dituliskan sebagai berikut.



_d _d _F _F D D F F d d q L i kM i kM i i L i kM v  ₀   ₀   ₀   ₀  ₀    



q q q Q Q D D kM r i L i kM i i         ₀ 

Jika d0 = (id0Ld + iF0kMF + iD0kMD), maka Persamaan di atas

dapat dituliskan sebagai berikut.

             v_q ₀L_d i_d ₀kM_F i_F ₀kM_D i_D _d₀ Q Q q q q L i kM i i r      (2.12)

(6)

Persamaan kumparan medan dari generator sinkron dalam bentuk linear ditunjukkan pada Persamaan di bawah ini

. D R F F d F F F F r i kM i L i M i v           (2.13)

Persamaan kumparan peredam yang telah dilinearisasi terdapat pada Persamaan di bawah ini.

D D F R d D D D i kM i M i L i r          0 (2.14) Q Q q Q Q Q i kM i L i r        0 (2.15)

Persamaan linear torsi dituliskan pada Persamaan berikut ini.











dq q d d qd q Fq F m j T  L i0 0i  0L i 0i kM i 0i 3 1 _ _    kM_Di_q₀i_DkM_Qi_d₀i_Q



D Persamaan di atas dapat diubah ke dalam bentuk

Persamaan sebagai berikut.









F q F q d q d d q q d m i i kM i i L i i L T          3 3 3 0 0 0 0 0      Qd _Q _j D q D D i i kM i i kM 3 3 0 0

Persamaan perubahan sudut rotor generator diberikan pada Persamaan: 0

Persamaan -persamaan di atas merupakan persamaan linear generator sinkron tanpa beban. Persamaan linear generator tersebut dapat dituliskan ke dalam model matriks keadaan sebagai berikut.                                              0 0 0 0 3 0 3 0 3 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 d i Q kM q i D kM q i F kM q i d L q r D kM F kM d L D r F r q L r m T q v F v d v                                                     Q i q i D i F i d i D d i Q kM Q r d q Q kM 0 1 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0                                                            Q i q i D i F i d i j Q L Q kM Q kM q L D L R M D kM R M F L F kM D kM F kM d L 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (2.19)

atau dalam bentuk Persamaan : vKxMx (2.20)

Persamaan tersebut dapat diubah ke dalam bentuk umum persamaan matriks keadaan xAxBu, sebagai berikut:

x M Kx v   v Kx x M  v M Kx M x 1  1 (2.21) dengan A = - M-1K, B = - M-1

Model generator dapat disimulasikan dengan beberapa cara. Pada penelitian ini, blok diagram model linear generator disimulasikan dalam bentuk Gambar 2.

Gambar 2. Blok Diagram Simulink Model Linear Generator

Matrik A, B, C, D dari generator sinkron ditulis dalam m-file, dan nilainya di-load dengan menggunakan block function state-space yang terdapat pada simulink.

D. Plant Sistem Tenaga Listrik

Sistem tenaga listrik yang disimulasikan ditunjukkan pada Gambar 3. Sistem tenaga listrik digunakan sebagai plant dalam simulasi. Sistem tenaga listrik terdiri dari 1 buah pembangkit dengan jumlah bus total sebanyak 5 bus.

(7)

Parameter dinamik mesin, data beban dan pembangkitan serta data saluran transmisi digunakan untuk perhitungan reduksi admitansi jaring dan parameter model linear single machine.

PSS dipasang pada sisi generator. PSS menggunakan penyimpangan kecepatan rotor generator sebagai sinyal input. Output PSS merupakan tegangan yang diumpankan pada sistem eksitasi.

Gambar 3. Sistem Tenaga Listrik

Pemodelan PSS pada generator sistem pembangkit ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Model Generator dalam Simulink

Adapun governor yang dipakai pada simulasi ini menggunakan model seperti pada Gambar 5.

Gambar 5. Model Governor dalam Simulink

Fast exciter yang digunakan adalah model fast exciter pada Gambar 6.

Gambar 6. Model Fast Exciter dalam Simulink

Power System Stabilizers (PSS) berfungsi untuk meredam osilasi frekuensi pada sistem pembangkit yang disebabkan oleh adanya perubahan beban yang fluktuatif. PSS merupakan peralatan yang menghasilkan sinyal kontrol untuk diumpankan pada sistem eksitasi. Fungsi dasar PSS adalah menambah batas kestabilan dengan mengatur eksitasi generator untuk memberi redaman terhadap osilasi rotor mesin sinkron. Komponen PSS tampak pada gambar 7.

Gambar 7. Komponen PSS

III. HASIL DAN ANALISIS

Simulasi pada sistem yang dilakukan membandingkan overshoot dan settling time antara sistem tanpa kontrol dan sistem yang dilengkapi dengan PSS. Pengamatan dilakukan pada 1 buah pembangkit sistem interkoneksi jaringan tenaga listrik.

A. Parameter Dinamik Mesin pada Pembangkit

Data simulasi yang digunakan adalah sistem tenaga listrik sebagai plant dalam simulasi. Sistem tenaga listrik yang disimulasikan adalah jaring tenaga listrik yang terdiri dari 1 buah pembangkit dengan jumlah bus total sebanyak 5 bus. 4 del1 3 del 2 iq 1 id Wd Tm governor Terminator2 Terminator1 Terminator In1 In2 Vt Subsystem Scope3 Scope1 W Vs PSS v d -v F v 1 v q v 2 Tm v 3 id iF iD iq iQ w del Generator -1 Gain VR VT Vpss Ef d FastExciter1 VD VQ del v d v q DQ-dq 0 Constant2 0 Constant1 0 Constant 3 VR 2 VQ 1 VD 1 Tm 1 Tg1.s+1 filter1 Sum1 -K-Gain1 0 GSC 1 Wd 1 Efd Ka1 Ta1.s+1 Transfer Fcn Sum Saturation 3 Vpss 2 VT ₁ VR 1 Vs T1(7).s+1 T2(7).s+1 lead-lag Tw(7).s Tw(7).s+1 Washout T3(7).s+1 T4(7).s+1 Lead-lag -K-Kpss7 1 W

(8)

Untuk mengerjakan penelitian ini, diperlukan data-data para-meter dinamik mesin. Data-data tersebut ditunjukkan dalam Tabel 1 berikut,

Tabel 1 Parameter Dinamik Mesin

Pembangkit Xd (pu) X_d’ (pu) X_d’’ (pu) X_q (pu) X_q’ (pu) X_q’’ (pu) H (det) K_g (pu) T_g (det) K_A (pu) T_A (det) T_do’ (det) Grati 1.7 0.25 0.19 1.64 0.38 0.19 3.5 20 1 100 0.04 5.9

B. Beban dan Pembangkitan

Sebelum melakukan simulasi lebih lanjut, diperlukan data beban dan pembangkitan yang dapat diperoleh dengan melakukan simulasi menggunakan software MATLAB. Hasil dari simulasi ini mendapatkan hasil berupa Daya Aktif dan Daya Reaktif pada pembangkitan dan konsumsi daya. Data-data tersebut ditunjukkan dalam Tabel 2 berikut,

Tabel 2. Data Beban dan Pembangkitan

No Bus Jenis Pembangkitan Konsumsi P(MW) Q(Mvar) P(MW) Q(Mvar) 1 Grati Generator 442.00 212.63 104.0 15.0 2 Pedan Beban - - 424.0 219.0 3 Ungaran Beban - - 213.0 284.0 4 Kediri Beban - - 401.0 230.0 5 Surabaya Barat (Krian) Beban - - 787.0 58.0 C. Saluran Transmisi

Untuk melakukan simulasi berikutnya, diperlukan data beban saluran transmisi. Hasil simulasi pada saluran transmisi tampak pada Tabel 3 berikut,

Tabel 3. Beban Saluran Transmisi

No. Saluran R + j X (pu) Jarak(Km)

1 Ungaran-krian 0.0147 + j 0.1413 251.00

2 Ungaran-Pedan 0.0088 + j 0.0836 75.00

3 Krian-Grati 0.0103 + j 0.1151 74.00

4 Pedan-Kediri 0.0206 + j 0.2303 202.78

Respon variasi frekuensi pada PLTGU Grati terlihat pada Gambar 8.

Gambar 8. Respon variasi frekuensi PLTGU Grati IV. KESIMPULAN

Dari hasil simulasi pemasangan PSS pada pembangkit untuk meredam osilasi pada sistem jaring tenaga listrik dapat disimpulkan sebagai berikut,

1. Pemasangan PSS pada pembangkit dapat meredam osilasi pada sistem jaringan listrik.

2. Sistem yang dilengkapi PSS dapat menekan overshoot respon variasi frekuensi pada pembangkit dari -5.10-4 p.u. menjadi -3,4.10-4 p.u.

3. Sistem yang dilengkapi PSS dapat mempercepat settling time respon variasi frekuensi menjadi 5 detik.

DAFTAR PUSTAKA

[1] K. R. Padiyar, ‖Power System Dinamics : Stability and Control‖, John Wiley and Sons (Asia) Pte Ltd, Singapore and Interline Publishing Pvt Ltd, Bangalone, India, 1996. [2] D. P. Kothari, I. J. Nagrath, ― Modern Power System Analysis‖, McGraw-Hill Eduation (Asia), Singapore, 2004.

[3] Hadi Saadat, ―Power System Analysis‖, McGraw-Hill, Eletrial Engineering Series, Singapore, 1999.

[4] P.M. Anderson & A.A. Fouad, Power system control and

stability, The Lowa State University Press, 1977.

[5] M.A. Pai, Power System Stability, North Holland Publishing Company, 1931.

[6] Kundur P, Power system stability and control, NewYork: McGraw-Hill,1994.

[7] Qian Liu, Damping controller design for FACTS devices

in power systems using novel control techniques, Iowa

State University, Iowa, 2006.

[8] Imam Robandi, Desain Sistem Tenaga Modern:

Optimisasi, Logika Fuzzy, dan Algoritma Genetika. Andi Offset, 2006 [9] Hendrik Maryono, Koordinasi Power System(PSS) dan

Thyristor Controlled Series Capacitors (TCSC)Damping Controller Menggunakan AIS Via Clonal Selection,

Proceeding of The 7th Seminar on Intelligent Technology

and Its Applications (SITIA) Surabaya-Indonesia, May

2nd_{, 2006.} 0 5 10 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4x 10 -4 PLTGU Grati Waktu (detik) V a ri a s i F re k u e n s i (p .u ) Tanpa Kontrol PSS

(9)

(10)

Optimalisasi Daya Pembangkit Listrik Tenaga Angin

Turbin Sumbu Horizontal dengan Menggunakan Metode

Maximum Power Point Tracker

Nur Asyik Hidayatullah

Program Studi Teknik Listrik Politeknik Negeri Madiun

Indonesia Email: [email protected]

Hanifah Nur Kumala Ningrum

Program Studi Teknik Listrik Politeknik Negeri Madiun

Indonesia

Email: [email protected]

Abstrak— Untuk memenuhi kebutuhan energi listrik yang terus meningkat serta tuntutan energi yang ramah lingkungan, efisien dan berkelanjutan, maka pemanfaatan energi terbarukan harus terus ditingkatkan. Metode yang digunakan adalah dengan membangun pembangkit listrik tenaga angin turbin sumbu horizontal. Teknologi ini mempunyai kelebihan bisa menangkap angin dengan kuat, karena posisinya yang tinggi, efisiensi rotor yang lebih tinggi di banding tipe vertikal, bisa diarahkan ke arah angin, dan mempunyai mekanisme perlindungan terhadap angin yang merusak.Keunggulan teknologi ini sangat cocok dengan topografi negara Indonesia yang memiliki kecepatan angin relatif rendah.Pembangkit listrik tenaga anginturbin sumbu horizontal mempunyai rasio daya yang rendah. Rasio daya keluaran pembangkit listrik tenaga angin dengan turbin tipe horizontal hanya sekitar 30% dari daya angin yang melewati turbin. Pada penelitian ini, untuk meningkatkan daya keluaran pembangkit listrik tenaga angin maka digunakan metode Maximum Power Point Tracker. Dari hasil percobaan dengan berbagai kecepatan angin di dapati bahwa rata-rata daya tanpa MPPT hanya sekitar 44,33% saja sedangkan yang dengan MPPT rasio daya rata-rata mengalami kenaikan yaitu sebesar 49,51%.

Kata kunci — Turbin Angin Horizontal; MPPT; Optimalisasi Daya Pembangkit.

I. PENDAHULUAN

Listrik dikenal sebagai sumber energi pembawa, energi pembawa adalah suatu substansi atau sistem yang memindahkan energi dalam suatu bentuk dari satu tempat ke tempat yang lain. Listrik dibangkitkan oleh suatu pembangkit, dari suatu energi primer dikonversikan dalam energi listrik. Sebagai contoh sumber energi primer adalah bahan bakar fosil (batubara, minyak bumi, dan gas alam) air, sinar matahari, angin, biomassa, dan lain-lain.

Mulai tahun 1970-an, penggunaan energi fosil mulai dikurangi karena dampaknya yang tidak bersahabat dengan lingkungan dan jumlah ketersediaannya di alam yang semakin berkurang. Dan digantikan dengan sumber energi yang ramah lingkungan dan ketersediannya melimpah yang disebut energi terbarukan. Jenis energi terbarukan ini salah satunya adalah energi angin. Penggunaan angin untuk sumber energi sudah dimanfaatkan sejak dulu oleh bangsa Belanda yang terkenal

dengan kincir anginnya. Memasuki abad ke-21 penggunaan energi angin semakin meluas ke negara berkembang dan kapasitasnya bertambah 25 % setiap tahunnya [1]. Pembangkit listrik tenaga angin mempunyai efisiensi daya yang rendah. Namun energi angin yang bisa ditangkap hanya sekitar 30-40%. Permasalahan inilah yang akan dibahas pada penelitian ini, yaitu meningkatkan rasio daya keluaran pembangkit listrik tenaga angin.

II. METODOLOGI

A. Turbin Angin

Turbin angin merupakan suatu bagian dari sistem pembangkit tenaga angin dimana berperan sebagai penangkap energi angin untuk ditransformasikan menjadienergi gerak untuk memutar generator. Ada banyak tipe dari turbin angin menurut bentuknya. Antara lain jenis propeller, darrieus, sailwing, fan-type, savious, tipe vertikal dan horizontal. B. Daya pada Turbin

Energi kinetik pada turbin bisa dirumuskan [2]:

Ek= 1/2 mv2 (1)

Karena massa bisa diganti dengan kerapatan udara ρ, Luas area A, dan kecepatan v, maka bisa ditulis:

m = ρAv (2)

Sehingga bila persamaan (1) dan (2) digabungkan maka:

Pw = 1/2ρAV3 (3)

Dengan ;

Pw adalah daya angin (Watt)

Ρ adalah kerapatan udara (kg/m3) (pada 15o C dan tekanan 1 atm, ρ= 1.225 kg/m3)

A adalah luas area turbin yang dilewati angin (m2) (A = (π/4)D2),

V adalah kecepatan angin (m/s)

(11)

Po = (v2-vo2) (4) Po adalah daya yang bisa diektraksi turbin/ daya output turbin

( Watt)

V adalah kecepatan upstream yang melewati turbin Vo adalah kecepatan downstream yang melewati turbin

Karena kecepatannya tidak selalu tetap maka kita mengambil rata-rata dari kecepatan upsteam dan downstream yaitu 1/2( v+vo) maka persaman (2) menjadi:

˙ m = ρA ((v+vo)/2) (5)

Dan daya yang bisa diekstraksi menjadi[2] :

P

o=

0

( )

1 (

) (6) Persamaan ini menjadi [2]:

Po=

( _{), (} ₎ -(7) Po=

(8) Cp= ( ), ( ) -(9)

Cp adalah koefisien daya atau efisiensi turbin.

Gambar 1.Kurva efisiensi rotor dibandingkan dengan Vo/V atau Cp [3] Berdasarkan gambar 1 nilai maksimum Cp adalah 0.59. namun ini hanya secara teori saja, nilai pada umumnya antara 0.4 sampai 0.5 untuk turbin kecepatan tinggi dan 0.2-0.4 untuk turbin kecepatan rendah.

C. Pengaturan Sudut Sudu

Daya pada turbin angin dipengaruhi oleh besarnya kecepatan angin yang memutar turbin (persamaan 3) semakin besar kecepatan angin ,daya yang dihasilkan semakin besar. Untuk menghitung daya mekanik turbin kita gunakan koefisien daya (Cp) sebagai pengalinya sesuai rumus:

Pm = Cp x Pw (10)

Koefisien daya ini bisa dihitung dengan berbagai persamaan, untuk menghitung Cp kita gunakan persamaan [4]:

Cp (λ, β) = c1(_λ - c3 β – c4) _{+ c}₆_λ ₍₁₁₎ Dengan λ= λ β – β (12)

λ = tip speed ratio (kecepata rotor dibanding kecepatan angin) β = sudut sudu turbin (o)

Dari persamaan ini kita bisa melihat ada pengaruh sudut sudu turbin terhadap koefisien daya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Karateristik β terhadap Cp[4]

Sudut sudu (β) merupakan sudut yang dibentuk antara sudu dengan sumbu horizontal rotor. Bila β bertambah besar maka daya mekanik turbin akan semakin berkurang. Bila kecepatan angin semakin besar maka daya akan semakian besar. Untuk menghindari beban berlebih maka β ini diatur agar system tetap aman.

D. Maksimum Power Point Tracker

Maksimum Power Point Tracker (MPPT) adalah suatu metode yang digunakan untuk mengoptimalkan daya keluaran berbagai pembangkit listrik. Pada pembangkit listrik tenaga angin, MPPT biasa digunakan untuk mengoptimalkan daya keluaran dari generator dengan menggunakan konverter daya elektronik. Selain itu MPPT bisa digunakan untuk menghindari kelebihan daya bila ada penambahan kecepatan angin. Contoh hubungan antara kecepatan angin dengan daya yang dibangkitkan bisa dilihat pada gambar 3. Pada gambar ini, sudu mulai bergerak pada kecepatan 4 m/s dan efisiensi optimal aerodinamiknya didapat pada kecepatan angin 15 m/s. pada kecepatan 25 m/s daya yang diterima dibatasi untuk menghindari kelebihan beban pada turbin angin. Pada kecepatan cutout angin, turbin berhenti berputar untuk menghindari kerusakan [5].

(12)

Gambar 3.Daya output turbin angin sebagi fungsi dari kecepatan angin [6]. Selama kondisi kecepatan angin maksimal, generator angin menggunakan metode yang bervariasi untuk algoritma MPPT-nya, salah satunya dengan Perturbation and Observation (P&O) Control. MPPT ini didasarkan pada monitoring output wind-generator (WG) dengan mengukur tegangan atau arus keluaran dari WG dan mengatur duty cycle dari dc/dc converter sesuai hasil perbandingan antara nilai daya keluaran WG.

E. Bost Converter

Pada MPPT ini digunakan boost converter berfungsi untuk mengatur tegangan wind turbine ke tegangan beban, sedemikian sehingga daya output selalu berada di titik daya maksimum [7].

F. Inverter

Inverter digunakan untuk mengubah tegangan input DC menjadi tegangan AC. Keluaran inverter dapat berupa tegangan yang dapat diatur dan tegangan yang tetap. Sumber tegangan input inverter dapat menggunakan battery, cell bahan bakar, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain. Tegangan output yang biasa dihasilkan adalah 120 V 60 Hz, 220 V 50 Hz, 115 V 400 Hz [8].

G. Metodologi Penelitian

Tujuan utama penelitian ini adalah bagaimana meningkatkan rasio daya keluaran sistem pembangkit listrik tenaga angin tipe horizontal wind turbine. Agar mendapatkan hasil kerja yang baik serta maksimal, maka dalam pelaksanaannya dilakukan perancangan, instalasi dan evaluasi sistem di Politeknik Negeri Madiun. Agar mendapat hasil yang akurat maka perlu dibandingkan antara sistem dengan memakai MPPT dan tanpa MPPT.

- Desain Pembangkit Listrik Tenaga Angin dengan MPPT

Desain sistem penelitiannya yaitu dengan menggunakan pembangkit listrik tenaga angin turbin sumbu horizontal dengan daya keluaran sekitar 1kW. Pada bagian keluaran generator dihubungkan dengan Maximum Power Point Tracker (MPPT) .

Wind

turbine Generator Penyearah

Boost DC-DC Converter Beban MPPT Kecepatan Angin input Daya Beban Duty Cycle V Penyearah

Gambar 4. Diagram Blok Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Angin dengan

MPPT

H. Pemodelan Sistem Tanpa MPPT

Pemodelan sistem tanpa MPPT yaitu gambar 5 digunakan untuk mengetahui karakteristik sistem pembangkit listrik tenaga angin. Sistemnya terdiri dari turbin angin generator induksi, kemudian disearahkan dengan rectifier dan diukur daya keluaran dengan memasang amperemeter dan voltmeter. Daya yang diperoleh dihitung berdasakan hasil kali nilai pada amperemeter dan voltmeter yang sudah di-RMS-kan.

Gambar 5. Pemodelan sistem tanpa MPPT

- Pemodelan Sistem dengan MPPT dengan

Menggunakan Algoritma Perturbation & Observation (P&O)

Untuk pengaturan daya yang optimal digunakan Maximum Power Point Tracker (MPPT) dengan mengatur duty cycle pada Boost DC-DC Converter. Algoritma yang digunakan adalah Perturbation & Observation (P&O) yang cukup sederhana dan mudah. Gambar 6 menunjukkan Sistem dengan MPPT.

(13)

III. HASIL DAN ANALISA

Dalam bab ini akan dibahas mengenai hasil simulasi dan analisis data dari pengujian sistem pembangkit listrik tenaga angin yang meliputi:

1). Pengujian tanpa MPPT dengan beberapa kecepatan angin dan variasi beban.

2). Pengujian dengan MPPTdengan beberapa kecepatan angin dan variasi beban.

Data yang dianalisis meliputi:

Untuk pengujian 1) dan 2) meliputi daya dan daya rata-rata dari sistem pembangkit listrik tenaga angin.

A. Pengujian sistem tanpa MPPT

Pengujian ini untuk mengetahui karakteristik dari sistem. Pada pengujian ini akan dihitung daya elektris yang dibangkitkan generator dengan menghitung daya pada keluaran rectifier tiga fasa dan pada keluaran rectifier yang dipasang di beban. Daya keluaran ini dihitung berdasarkan nilai tegangan dan arus yang terbaca pada voltmeter dan amperemeter. Untuk mendapatkan nilai tegangan dan arus yang pasti (tanpa ripple) dipasang signal rms untuk mendapatkan nilai tegangan dan arus rms.

Kemudian hasil perkalian tegangan dan arus kita plot dalam grafik yang menampilkan karakteristik pengaruh beban terhadap daya keluaran sistem. Hasil simulasi bisa dilihat di Tabel 1.

Tabel 1 Hasil simulasi tanpa MPPT untuk berbagai kecepatan angin dan

variasi beban.

R (ohm)

Daya pada kecepatan angin (Watt)

2 m/s 3 m/s 4 m/s 5 m/s 6 m/s 8 m/s 25 2.004 1.126 0.5 0.19 0.11 0.08 50 327.8 363.8 419.4 493.9 596.7 896.8 100 369.8 403.6 452.7 519.5 603.7 833.8 500 225.1 239.5 260.8 288.4 323.4 417.2 1000 135.7 155.7 171.2 171.2 190.8 242.8 5000 76.97 77.72 78.77 80 81.65 86.03 10K 45.42 45.86 46.48 47.26 48.19 50.69

Pada pengujian tanpa MPPT ini didapatkan bahwa fluktuasi perubahan dayanya cukup tinggi. Semakin besar nilai beban daya yang dihasilkan semakin turun. Daya beban naik dan turun sesuai dengan pertambahan beban. Kecepatan angin yang berbeda maka didapatkan daya yang berbeda pula, semakin besar kecepatan angin maka daya yang di dapat juga semakin besar. Sesuai dengan rumus (3) :

= ρA

Maka kita lihat dari persamaan tersebut bahwa semakin besar kecepatan angin maka daya yang terukur semakin besar.

Gambar 7. Kurva daya untuk kecepatan 1 m/s sampai 8 m/s

B. Pengujian dengan MPPT

Untuk pengujian dengan MPPT turbin angin yang telah kita buat kita sambungkan ke rectifier untuk mendapatkan gelombang DC. Kemudian kita hubungkan ke konverter untuk mengatur besar tegangan. MPPT bekerja dengan mensensor tegangan pada keluaran rectifier dan daya pada keluaran konverter dengan mengalikan tegangan dan arus yang didapat dari voltmeter dan amperemeter dan nilai tersebut sudah dirata-rata dengan memasang signal rms agar kita bisa mendapatkan nilai yang nyata tanpa terpengaruh besarnya ripple. Dan pengaturan besar tegangan tersebut dilakukan dengan cara mengatur duty cycle yang kemudian terhubung dengan PWM. Perubahan duty cycle tersebut mengikuti perubahan dari daya output yang terukur pada beban. Konverter DC-DC tersebut terhubung dengan beban R yang besarnya berubah, dari 25 ohm sampai 1000 ohm, daya beban yang diamati kemudian dicatat sesuai dengan perubahan nilai hambatan pada beban. Berdasarkan karakteristik sistem, didapatkan daya maksimal pada hampir semua kecepatan angin didapatkan pada beban 100Ω, oleh karena itu pengujian sebagai daya maksimum untuk menghitung efisiensi pembangkit, diambil daya acuan (daya pembangkitan maksimal) pada beban 100Ω.

Tabel 2. Perbandingan hasil simulasi tanpa MPPT dan dengan MPPT dengan

kecepatan angin 3 m/s

R (ohm)

Daya (Watt) pada kec.

Angin 3 m/s Rasio Daya (%) Tanpa MPPT MPPT tanpa MPPT dengan MPPT 25 1.126 7.6 0.28 1.88 50 363.8 365 90.14 90.44 100 403.6 430 100.00 106.54 500 239.5 268 59.34 66.40 1000 155.7 150.5 38.58 37.29 5000 77.72 80.5 19.26 19.95 10000 45.86 60.8 11.36 15.06 Rata-rata (%) 45.57 48.22

Dari hasil didapatkan bahwa rata-rata daya dibandingkan daya maksimum:

(14)

• Untuk pengujian dengan MPPT= 51,88 % Tabel 3 Rasio daya dari beban tanpa MPPT dan dengan MPPT untuk

R (ohm)

Daya (Watt) pada

kec. Angin 4 m/s Rasio Daya (%) Tanpa MPPT MPPT tanpa MPPT dengan MPPT 25 0.5 5.8 0.11 1.28 50 419.4 470 92.64 103.82 100 452.7 497.6 100.00 109.92 500 260.8 300.5 57.61 66.38 1000 171.2 211.8 37.82 46.79 5000 78.77 89.8 17.40 19.84 10000 46.48 68.5 10.27 15.13 Rata-rata (%) 45.12 51.88

• Untuk pengujian tanpa MPPT = 45,12 % • Untuk pengujian dengan MPPT= 51,88 %

Tabel 4 Perbandingan hasil simulasi tanpa MPPT dan dengan MPPT untuk

kecepatan angin 5 m/s.

R (ohm)

Daya (Watt) pada

kec. Angin 5 m/s Rasio Daya (%) Tanpa MPPT MPPT tanpa MPPT dengan MPPT 25 0.19 6.74 0.04 1.30 50 493.9 530.5 95.07 102.12 100 519.5 587.34 100.00 113.06 500 288.4 304.73 55.51 58.66 1000 171.2 212.5 32.95 40.90 5000 80 90.67 15.40 17.45 10000 47.26 68.9 9.10 13.26 Rata-rata(%) 44.01 49.54

Tabel 5 Perbandingan hasil simulasi tanpa MPPT dan dengan MPPT untuk

R (ohm)

Daya (Watt) pada

kec. Angin 6 m/s Rasio Daya (%) Tanpa MPPT MPPT tanpa MPPT dengan MPPT 25 0.11 5.6 0.02 0.93 50 596.7 630.5 98.84 104.44 100 603.7 689 100.00 114.13 500 323.4 367.1 53.57 60.81 1000 190.8 234.5 31.61 38.84 5000 81.65 100.6 13.52 16.66 10000 48.19 67.9 7.98 11.25 Rata-rata(%) 43.65 49.58

Tabel 6. Perbandingan hasil simulasi tanpa MPPT dan dengan MPPT untuk

R (ohm)

Daya (Watt) pada kec.

Angin 8 m/s Rasio Daya (%) Tanpa MPPT MPPT tanpa MPPT dengan MPPT 25 0.08 3.5 0.01 0.42 50 896.5 860.6 107.52 103.21 100 833.8 945.3 100.00 113.37 500 417.2 503.1 50.04 60.34 1000 242.8 323.6 29.12 38.81 5000 86.03 100.6 10.32 12.07 10000 50.69 83 6.08 9.95 Rata-rata (%) 43.30 48.31

Berdasarkan besarnya rasio daya pada 5 sampel kecepatan angin, bisa dilihat bahwa sistem pembangkit listrik tenaga angin dengan MPPT mempunyai rasio daya rata-rata yang lebih tinggi dibandingkan yang tidak menggunakan MPPT. Artinya pembangkit listrik tenaga angin dengan MPPT mempunyai kinerja dan efisiensi yang lebih baik dibandingkan dengan yang tanpa MPPT.

Tabel 7. Rasio Daya Rata-Rata tanpa dan dengan Menggunakan MPPT Kecepatan angin Rasio Daya Rata-Rata(%)

tanpa MPPT dengan MPPT 3 m/s 45.57 48.22 4 m/s 45.12 51.88 5 m/s 44.01 49.54 6 m/s 43.65 49.58 8 m/s 43.30 48.31

Dari berbagai kecepatan angin di atas bisa kita lihat bahwa rata-rata daya tanpa MPPT hanya sekitar 44,33% saja

(15)

sedangkan yang dengan MPPT rasio daya rata-rata mengalami kenaikan yaitu sebesar 49,51%.

IV. KESIMPULAN

Penelitian ini telah memaparkan secara komprehensive teknologi turbin sumbu horisontal untuk pembangkit listrik tenaga angin. Untuk meningkatkan rasio daya keluaran sistem pembangkit listrik tenaga angin maka di gunakan metode Maximum Power Point Tracker (MPPT). Dari hasil simulasi didapatkan bahwa sistem yang dilengkapai dengan MPPT bisa meningkatkan efisiensi daya dari sistem. Dari kelima pengujian berdasarkan kecepatan angin didapatkan hasil bahwa pembangkit listrik tenaga angin yang menggunakan MPPT, rasio daya rata-ratanya lebih tinggi daripada yang tidak menggunakan MPPT, oleh karena itu MPPT dapat digunakan untuk meningkatkan rasio daya pembangkit listrik tenaga angin yang dihubungkan pada beban yang bervariasi.

UCAPAN TERIMAKASIH

Penelitian ini dibiayai oleh Dana DIPA Nomor: SP DIPA-042.04.2.400020/2015 Politeknik Negeri Madiun.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Muyen, S.M.. Tamura, Junji.Murata, Toshiaki.‖Stability Augmentation of a Grid-connected Wind Farm‖.Springer.London.2009

[2] Masters, Gilbert M.. ―Renewable &Efficient Electric *Power System‖. Wiley Interscience.London.2004.

[3] Patel, Mukund P. ―Wind and Solar Power Systems Second Edition.Taylor&Francis.New York.2006.

[4] Wind Turbine :: Blocks (SimPowerSistems™)..<URL:

http://www.mathworks.com/help/toolbox/physmod/powersys/ref/windtu rbine.html>. Diakses pada 4 April 2015.

[5] Ragheb, M. ―Control of Wind Turbines.

https://netfiles.uiuc.edu/mragheb . Diakses Pada 16 April 2015. [6] Abarzadeh, Mustafa. Kojabadi, Hossein Madadi. Chang, Liuyen.‖Small

Scale Wind Energy Conversion System. Sahand University of Technology. Iran. 2010.

[7] Rashid, Muhammad H.‖Power Electronic Handbook‖.Elsevier.2007 [8] Evelina, Winna. ―Analisis Karakteristik Pengaturan. Fakultas Teknik

(16)

Kajian Harmonisa Arus pada Gedung M.Nuh Lantai 3

Politeknik Negeri Madiun

Hanifah Nur Kumala N.

Teknik Listrik

Politeknik Negeri Madiun, PNM Madiun, Indonesia [email protected]

Asih Setiarini

Teknik Komputer Kontrol Politeknik Negeri Madiun, PNM

Madiun, Indonesia [email protected]

Abstrak— Energi listrik merupakan komponen utama yang

dibutuhkan bagi peralatan listrik yang tersimpan dalam arus listrik dan tegangan listrik. Sebagian besar pemakaian beban listrik di masyarakat hampir 90% memakai beban elektronika atau beban non

linier. Pemakaian beban nonlinier akan menimbulkan gangguan

harmonisa, merupakan fenomena yang disebabkan oleh pengoperasian beban listrik yang tidak linier. Harmonisa ini mengakibatkan terbentuknya gelombang berfrekuensi tinggi yang merupakan kelipatan dari frekuensi dasar 50/60 Hz untuk gelombang AC, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan secara ideal akan menjadi cacat. Pada beban, harmonisa mengakibatkan overheated pada peralatan yang mengakibatkan

derating pada insulasinya sehingga terjadi kerusakan pada peralatan

elektronik. Parameter besarnya harmonisa sering dinyatakan dengan THD (Total Harmonic Distortion). Pada penelitian ini Gedung M. Nuh lantai tiga Politeknik Negeri Madiun sebagai objek penelitian karena merupakan pusat laboratorium untuk prodi Teknik Listik dan Teknik Komputer Kontrol yaitu Laboratorium Komputer, LaboratoriumInstalasi Listrik, dan Laboratorium PLC dan Mikrokontoler. Laboratorium tersebut terdapat banyak beban listrik

nonlinear yang dapat membangkitkan distorsi harmonik sehingga

menyebabkan terganggunya kualitas daya listrik. Berdasarkan pengukuran dan analisis besar Total Harmonic Distortion (THD) yang terjadi di Gedung M. Nuh lantai tiga Politeknik Negeri Madiun didapatkan hasil THD-F dan THD-R arus rata-rata pada segment utara (LP-3A) dan segment selatan (LP-3B) melebihi standar IEEE 512-1992 yaitu sebesar 5%; dan nilai THDi segment LP-3B lebih besar dibanding segment LP-3A.

Kata Kunci : Overheated; Beban nonlinier; Total Harmonic Distortion.

I. PENDAHULUAN

Saat ini sebagian besar pemakaian beban listrik di masyarakat hampir 90% memakai beban elektronika atau beban non linier. Pemakaian beban nonlinier yaitu, lampu fluorescent, televisi, komputer, printer, scanner, charger, pendingin ruangan, lemari es, pemanas air, setrika dan rice cooker, motor listrik, transformator, alat las, dan sebagainya. Harmonisa merupakan fenomena yang disebabkan oleh pengoperasian beban listrik yang tidak linier, yang mana akan terbentuk gelombang berfrekuensi tinggi yang merupakan kelipatan dari frekuensi dasar 50/60 Hz untuk gelombang AC, sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan secara ideal merupakan gelombang sinusoidal murni akan menjadi cacat [1]-[6].

Pada sisi beban, harmonisa

mengakibatkan overheated pada peralatan yang bisa menyebabkan berkurangnya umur peralatan. Oleh sebab itu, diperlukan harmonisa serendah mungkin. Parameter besarnya harmonisa sering dinyatakan dengan THD (Total Harmonic Distortion).

Gedung M. Nuh lantai tiga Politeknik Negeri Madiun merupakan pusat laboratorium untuk prodi Teknik Listik dan Teknik Komputer Kontrol yaitu Laboratorium Komputer, Laboratorium Instalasi Listrik, dan Laboratorium PLC dan Mikrokontoler. Laboratorium tersebut terdapat banyak beban listrik nonlinear seperti motor listrik, generator, transformator, computer, dan peralatan praktikum lainnya yang dapat membangkitkan distorsi harmonik sehingga menyebabkan terganggunya kualitas daya listrik. Oleh karena itu jika Gedung M. Nuh lantai tiga terdapat puluhan perangkat komputer, lampu Tube Lamp (TL) air conditioner, motor listrik dan peralatan elektronik lainnya, maka distorsi harmonisa arus dan tegangan listrik yang terjadi bisa berpengaruh terhadap peralatan-peralatan tersebut. Berdasarkan hal tersebut, penelitian ini akan mencoba mempelajari dan menganalisis berapa besar Total Harmonic Distortion (THD) yang terjadi di Gedung M. Nuh lantai tiga Politeknik Negeri Madiun sebagai akibat banyaknya beban-beban listrik nonlinier.

II. METODOLOGI

A. Harmonisa

Harmonisa adalah sebuah fenomena pada sistem tenaga listrik yang menimbulkan permasalahan kualitas dimana bentuk gelombang arus atau tegangan dari suplai akan menjadi terdistorsi sehingga bisa menimbulkan bahaya pada peralatan listrik. Dalam definisi lain harmonisa juga diartikan sebagai gejala pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi berbeda yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan frekuensi dasarnyaFrekuensi dasar suatu sistem tenaga listrik adalah 50 Hz, maka harmonik keduanya adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 100 Hz, harmonik ketiga adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 150 Hz dan seterusnya [7]-[11]. Gelombang-gelombang ini kemudian menumpang pada gelombang murni atau aslinya sehingga terbentuk gelombang cacat yang merupakan jumlah antara gelombang

(17)

murni sesaat dengan gelombang harmoniknya yang ditunjukkan dalam Gambar 1[12].

Gambar 1. Bentuk gelombang fundamental, gelombang harmonik dan

gelombang fundamental yang terdistorsi [12]

Dalam sistem tenaga listrik dikenal dua jenis beban yaitu beban linier dan beban non linier. Beban linier adalah beban yang memberikan bentuk gelombang keluaran yang linier artinya arus yang mengalir sebanding dengan impedensi dan perubahan tegangan. Sedangkan beban non linier adalah bentuk gelombang keluarannya tidak sebanding dengan tegangan dalam setiap setengan siklus sehingga bentuk gelombang arus maupun tegangan keluarannya tidak sama dengan gelombang masukannya (mengalami distorsi). Fenomena ini disebut sebagai harmonisa. Timbulnya harmonisa pada sistem tenaga listrik salah satunya disebabkan oleh adanya alat-alat yang mempunyai impedansi tidak linier. Contoh peralatan dengan impedansi tidak linier yang sekarang pemakaiannya sangat berkembang adalah lampu hemat energi. Standar harmonisa diukur berdasarkan standar IEEE 519-1992 yang ditunjukkan dalam Tabel 1. Ada dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonisa. Yaitu batasan untuk harmonisa arus, dan batasan untuk harmonisa tegangan. Untuk standard harmonisa arus, ditentukan oleh rasio ISC/IL. ISC merupakan arus hubung singkat yang ada pada PCC (Point of Common Coupling), sedangkan IL adalah arus beban fundamental nominal. Standard harmonisa tegangan ditentukan oleh tegangan sistem yang dipakai yang ditunjukkan dalam Tabel 2.

Tabel 1. Standard harmonisa Arus [13]

Isc/ILoad

Harmonic Order Total

Harmonic Distortion <11 11-16 17-22 23-24 >35 < 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

Tabel 2. Standard harmonisa tegangan [13] Maximum Distortion (in %) System Voltage

< 69 kV 69–138 kV >138 kV

Individual Harmonic 3.0 1.5 1.0

Total Harmonic 5.0 2.5 1.5

For condition lasting more than one hour. Shorter periods increase limit by

50%

B. Indeks Harmonisa

Harmonisa adalah gelombang yang terdistorsi secara periodik yang terjadi pada gelombang tegangan, arus, atau daya terdiri dari gelombang-gelombang sinus yang frekuensinya merupakan kelipatan bulat frekuensi sumber / fundamental, sehingga bentuknya tidak sinusoidal. Hubungan antara frekuensi harmonik dan fundamental ditunjukkan dalam persamaan 1.

(1) Dengan fn adalah frekuensi harmonic, n adalah kelipatan

gelombang (bilangan bulat), danfi adalah frekuensi

fundamental. Gelombang harmonik ini akan menumpang pada gelombang fundamental sehingga akan terbentuk gelombang yang terdistorsi. Ini dikarenakan efek penjumlahan dari gelombang harmonisa dengan gelombang fundamentalnya. Gelombang harmonisa ini dapat dijabarkan pada deret Fourier dalam persamaan 2. ( ) ∑ * ( ) ( )+ (2) dengan :



 /2 2 / ) ( 1T T t f T Ao dt (3)





/2 2 /

)

(

2

T T

t

f

T

An

cos(nωt) dt (4)





/2 2 /

)

(

2

T T

t

f

T

Bn

sin(nωt) dt (5)

Dimana, A0 adalah komponen DC,

sedangkan An dan Bn adalah komponen AC.

Berdasarkan persamaan (2)-(5), secara umum harmonisa tegangan dan arus dinyatakan dalam deret fourier yang ditunjukkan dalam persamaan (6) dan (7).



 



1

)

(

h

An

t

v

Cos (hωt+



h) (6)



 



1

)

(

h

Bn

t

i

Cos(hωt+



h) (7)

Dimana h adalah orde harmonisa, yaitu bilangan 1,2,3,dan seterusnya.

Total Distorsi Harmonisa (THD) merupakan rasio nilai rms dari komponen harmonisa ke nilai rms dari komponen dasar yang biasanya dinyatakan dalam persen (%). Indeks tersebut digunakan untuk mengukur deviasi dari bentuk gelombang periodik yang mengandung harmonisa dari gelombang sinus sempurna. Persamaan (8)-(9) menunjukkan perhitungan THD tegangan dan arus.

(18)

V 1 2 2

V

n n HD T



 



(8) (2.8) (2. Dimana : n

V

= Nilai tegangan harmonisa

1

V

= Nilai fundamental

n = Komponen harmonisa maksimum yang diamati

I 1 2 2

I

n n THD



 



(9) Dimana : n

I

= Nilai arus harmonisa

1

I

= Nilai fundamental

n = Komponen harmonisa maksimum yang diamati

Berdasarkan kesepakatan yang disepakati dunia internasional (standar IEEE 519-1992), THD yang diterima adalah apabila bernilai dibawah 5% dari tegangan atau arus fundamentalnya [10]. Apabila diatas batas tersebut maka bisa berefek pada peralatan elektronik.

Distorsi harmonisa individu (IHD) adalah rasio antara nilai rms dari harmonisa individual terhadap nilai rms dari dasar.Standar harmonisa yang digunakan adalah standar IEEE-519 [11]. Ada dua kriteria yang biasa digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonisa yaitu; batasan harmonisa pada arus dan batasan harmonisa untuk tegangan. Presentasi (%)ITHD adalah presentase jumlah total arus yang terdistorsi oleh harmonisa terhadap frekuensi fundamentalnya. Untuk menentukan presentasi (%) ITHD tergantung dari besarnya rasio dari Isc dan IL. VTHD adalah persentase jumlah total tegangan yang terdistorsi oleh harmonisa terhadap frekuensi fundamentalnya. Presentasi (%)VTHD ditentukan tergantung pada tegangan sistem yang dipakai. Persamaan THD dan hubungan antara THD dan IHD ditunjukkan dalam (10) dan (11).

√∑ . / (10) dimana :

Ish : arus harmonik pada orde ke-h (A) Is1 : arus fundamental (A)

THD : Total Harmonic Distrotion (%)

√∑ (11) √∑ √∑ (12)

THD-F adalah perbandingan nilai komponen harmonik dengan nilai komponen utamanya, sedangkan THD-R adalah perbandingan komponen harmonik urutan ke-2 dan seterusnya terhadap total harmonik keseluruhannya. Besarnya THD-F dan THD-R ini tidak akan jauh berbeda, misalnya bila nilai THD-F sebesar 10%, maka nilai THD-R sebesar 9,95% (perbedaannya hanya 0,05%)[14].

Harmonik pada peralatan menyebabkan efek jangka pendek berupa kesalahan operasi pada peralatan, dan efek jangka panjang berupa panas yang mempengaruhi umur isolasi, bahkan kerusakan pada peralatan. Efek dari harmonik ini tergantung dari nilai harmonik dan orde harmonik [15].

C. Tahapan Penelitian

Pada penelitian ini, dilakukan kajian tentang harmonisa arus dan tegangan pada Gedung M.Nuh Lantai 3 Politeknik Negeri Madiun. Alat yang digunakan untuk mengetahui spektrum harmonisa adalah Power Quality Analyzer, akan tetapi karena alat tersebut belum ada di Politeknik Negeri Madiun, maka alat tersebut dapat digantikan dengan Power Meter dan Osiloskop yang dilengkapi FFT Analysis. Berdasarkan penelitian sebelumnya tentang harmonisa, harmonisa mempunyai pengaruh yang sangat besar terhadap peralatan. Oleh karena itu, perlu adanya studi lebih tentang harmonisa pada Lantai 3 Gedung M.Nuh. Flowchart tahapan penelitian untuk Kajian Harmonisa Arus ditunjukkan dalam Gambar 2.

Start

Pengumpulan Data

Pengukuran besaran listrik dengan Power Meter

Pengukuran Harmonisa arus dan tegangan dengan DSO

Menghitung THD dari spektrum harmonisa Membandingkan hasil perhitungan THD dengan standar IEEE 519-1992 End Penarikan Kesimpulan

(19)

Pengukuran besaran daya listrik dengan Power Meter Kyoritsu 6305 pada panel listrik di lantai 3 Gedung M. Nuh Politeknik Negeri Madiun. Dalam proses pemasangan power meter yang berfungsi untuk membaca besaran listrik seperti, daya, arus, tegangan, faktor daya, frekuensi, harmonik, beban puncak, arus maupun tegangan maksimum dan minimum, dll, yang dikonsumsi oleh Politeknik Negeri Madiun khususnya Gedung M.Nuh lantai 3. Power meter ini dipasang pada panel hubung bagi yang ada pada sisi bagian utara dan sisi bagian selatan. Gambar 3 menunjukkan Skema Pengukuran besaran daya listrik dengan Power Meter Kyoritsu 6305[16].

Pengukuran pada panel penerangan Pengukuran harmonisa arus dan tegangan dengan menggunakan Osiloskop Tektronik TPS 2014B dengan FFT Analysis. Digital Storage Oscilloscope yang dilengkapi dengan FFT Analysis berfungsi untuk membaca spektrum harmonisa pada saluran antara sumber dengan beban (load). FFT analysis pada Osiloskop Tektronik TPS 2014B digunakan untuk menampilkan spektrum harmonisa, harmonisa mana yang lebih dominan muncul dan sebagai acuan untuk menghitung Total Harmonic Distortion (THD) dari arus. Skema pengukuran spektrum harmonisa dengan oscilloscope pada panel hubung bagi ditunjukkan dalam Gambar 4.

Gambar 3. Skema Pengukuran besaran daya listrik dengan Power Meter

Kyoritsu 6305

Gambar 4. Skema Pengukuran spektrum harmonisa dengan OscilloscopeTPS

2014B pada panel hubung bagi (PHB)

Jenis beban yang ada pada lantai 3 gedung M.Nuh sebagian besar merupakan beban non linier. Pembagian beban berdasarkan R, S, dan T pada segment 3A (utara) dan LP-3B (selatan) dibagi berdasarkan kapasitas pembebanannya. Pada panel Utama Gedung M.Nuh terdapat MCB 3 fasa dengan kapasitas 40A masing-masing untuk segment LP-3A

dan LP-3B. Untuk tiap grup beban, di proteksi dengn MCB 1 fasa dengan kapasitas 10 A, 16 A, dan 20 A. Pembagian beban terdapat pada gambar 5 dan gambar 6.

NYM 3 x 2.5 mm2 In conduit PVC Ø20 30 x (@2 x 36 W) TL = 2160 W 10 x (@1 x 36 W) TL = 360 W 3 x (@200 W) stop kontak = 600 W AC LAB = 1250 W NYM 3 x 2.5 mm2 In conduit PVC Ø20 15 x (@2 x 36 W) TL = 1080 W 9 x (@1 x 13 W) TL = 117 W 3 x (@200 W) stop kontak = 600 W AC LAB = 1250 W NYM 3 x 2.5 mm2 In conduit PVC Ø20 12 x (@2 x 36 W) TL = 864 W 9 x (@1 x 36 W) TL = 324 W 3 x (@200 W) stop kontak = 600 W AC Ruang Dosen = 2500 W R S T MCB 3Ø 40 A AC RUANG = 2 x 1.5 PK = 2400 W AC RUANG = 2 x 1.5 PK = 2400 W AC RUANG = 2 x 1.5 PK = 2400 W

Gambar 5. Pembagian beban tiap fasa pada segment 3A (utara)

NYM 3 x 2.5 mm2 In conduit PVC Ø20 15 x (@2 x 36 W) TL = 1080 W 15 x (@1 x 36 W) TL = 1080 W 3 x (@200 W) stop kontak = 600 W AC LAB = 1250 W NYM 3 x 2.5 mm2 In conduit PVC Ø20 15 x (@2 x 36 W) TL = 1080 W 27 x (@13 W) Downlight = 351 W 3 x (@200 W) stop kontak = 600 W AC LAB = 1250 W NYM 3 x 2.5 mm2 In conduit PVC Ø20 12 x (@2 x 36 W) TL = 864 W 11 x (@1 x 36 W) TL = 396 W 3 x (@200 W) stop kontak = 600 W AC Ruang Dosen = 2500 W R S T MCB 3Ø 40 A 10 x (@1 x 36 W) TL = 360 W AC RUANG = 2 x 1.5 PK = 2400 W AC RUANG = 2 x 1.5 PK = 2400 W AC RUANG = 2 x 1.5 PK = 2400 W

Gambar 6. Pembagian beban tiap fasa pada segment 3B (selatan)

III. HASIL DAN ANALISA

Pada penelitian ini yang dihitung adalah harmonisa arus pada panel hubung bagi yang memisahkan beban berdasarkan fasanya. Dengan menggunakan oscilloscope tipe TPS 2014B (dengan FFT analysis) maka spektrum harmonisanya bisa didapatkan dengan memasang probe arus pada fasa yang diukur. Penelitian dilakukan dengan menghitung harmonisa arus pada tiap fasa dengan sampling 3 data pada pukul 12.00, 13.00 dan 14.00. Penelitian disini dilakukan hanya pada waktu tersebut, karena penggunaan ruang untuk gedung M.Nuh lantai 3 sangat padat,sehingga data tersebut dianggap mewakili pengukuran aktual untuk harmonisa arus. Hasil spektrum harmonisa dengan menggunakan TBS-1056 pada fasa S pada pukul 12.30-13.00 segment 3B ditunjukkan dalam Gambar 7.

Gambar 7. Hasil spektrum harmonisa dengan menggunakan TBS-1056 pada

(20)

Berdasarkan tampilan spektrum harmonisa pada Oscilloscope TPS 2014B, individual harmonisa berdasarkan orde bisa diperoleh dengan meletakkan cursor pada orde harmonik yang ingin ditampilkan nilainya. Nilai THD-F dan THD-R didapatkan berdasarkan total harmonik disemua orde. Dalam Gambar 7 didapatkan nilai harmonik orde-3 sebesar 6,6%, nilai THD-F sebesar 8,5%, dan nilai THD-R sebesar 8,47%. Bentuk gelombang arus pada fasa S pukul 12.30-13.00 tidak berbentuk sinusoidal murni yang ditunjukkan dalam Gambar 8. Hal ini bisa diindikasikan bahwa nilai harmonik arusnya cukup tinggi. Hasil pengukuran tiap orde harmonik tiap fasa pada waktu-waktu pengukuran dituangkan dalam tabel 3.

Gambar 8. Bentuk gelombang arus pada fasa S pada pukul 12.30-13.00

segment 3B

A. Hasil Pengukuran Harmonisa Arus pada LP-3A(utara) Pada segment LP-3A, nilai orde harmonik yang paling menonjol adalah harmonik ganjil dengan yang paling dominan harmonik orde-3 dan orde-5. Di beberapa waktu, muncul harmonik orde genap yaitu orde-2. Hasil pengukuran harmonisa arus berdasarkan orde dan nilai THD-F dan THD-R pada tiap fasa pada layout 3A (utara) ditunjukkan dalam Tabel 3. Nilai harmonik paling besar ada pada fasa R. Hal ini dipengaruhi oleh pembagian beban pada tiap fasa. Pada fasa R beban yang paling dominan adalah beban dengan lampu TL, lampu TL ini mempunyai ballast electronic untuk proses penyalaan yang bisa menyebabkan nilai harmonisanya tinggi.

Tabel 3. Hasil pengukuran harmonisa arus berdasarkan orde dan nilai THD-F

dan THD-R pada tiap fasa pada layout 3A (utara)

11.30-12.00 12.30-13.00 13.30-14.00 Orde R S T R S T R S T 2 - - - 6 - 3 6.9 6.5 7.8 6.3 4 7.5 5.6 5 6.7 5 5.2 4.2 4.7 6 4.2 5.2 - 4.7 - 6 - - - 5.2 3.4 3.2 7 1.6 2.5 1.3 1.2 1.3 1.1 1.9 3 2.1 9 0.3 0.5 0.2 0.1 0.3 0.4 0.8 0.7 0.6 11 0.2 0.4 0.4 0.1 0.3 0.2 0.6 0.3 0.4 13 0.4 0.2 0.3 0.2 0.3 0.2 1.5 0.4 0.3 THD -F 10.1 8.48 9.74 10.3 6.3 9.5 15.7 11.1 8.51 THD -R 10.1 8.46 9.72 10.2 6.2 9.47 15.4 11 8.46

B. Hasil Pengukuran Harmonisa pada LP-3B Tabel 4 menunjukkan hasil pengukuran harmonisa arus berdasarkan orde dan nilai THD-F dan THD-R pada tiap fasa pada layout 3B (selatan). Nilai orde harmonik yang paling menonjol pada segment 3B (selatan) adalah harmonik ganjil dengan yang paling dominan harmonik orde-3 dan orde-5. Di beberapa waktu, muncul harmonik orde genap yaitu orde-2. Nilai harmonik paling besar ada pada fasa R. Dimana hal ini dipengaruhi oleh pembagian beban pada tiap fasa. Pada fasa R beban yang paling dominan adalah beban dengan lampu TL, lampu TL ini mempunyai ballast electronic untuk proses penyalaan, dimana komponen dari ballast ini menggunakan komponen switching yang bisa menyebabkan nilai harmonisanya tinggi.

Tabel 4. Hasil pengukuran harmonisa arus berdasarkan orde dan nilai THD-F

dan THD-R pada tiap fasa pada layout 3B (selatan)

11.30-12.00 12.30-13.00 13.30-14.00 Orde R S T R S T R S T 2 - - - - 7.4 - - 16 - 3 11.6 7.3 13.1 10.6 7.1 10.8 12.5 8.6 12.4 5 6.9 8.7 6.7 6.8 7.2 7.8 6.7 5.7 8.6 7 2.1 1.1 1.3 0.8 1.8 1.6 2.3 2.6 1.4 9 0.4 0.7 0.2 0.4 0.6 0.4 0.9 0.8 0.6 11 0.6 0.6 0.3 0.1 0.4 0.2 0.7 0.6 0.3 13 0.1 0.1 0.2 0.2 0.3 0.1 0.3 0.6 0.1 THD -F 16.2 11.1 15 13.4 13.3 14.7 18.9 20 15.9 THD -R 16 10.5 13.5 13.1 13 14.3 18.5 19 15.3

Tabel 5 menunjukkan nilai harmonisa rata-rata untuk tiap fasa pada segmen 3B. Tabel 6 menunjukkan nilai harmonisa rata-rata untuk tiap fasa pada segmen 3B. Data tersebut didapatkan nilai harmonisa arus pada segment LP-3B (selatan) lebih besar dibanding segmen LP-3A(utara). Hal ini disebabkan pembagian beban pada segment LP-3B lebih banyak lampu TL yang mempunyai ballast electronic dan terdapat Laboratotium komputer di segmen LP-3B maka nilai harmonisa arusnya lebih besar dibandingkan dengan segment LP-3A.

Tabel 5. Rata-rata hasil THDi untuk tiap fasa pada segment 3A(utara) Rata - rata R S T

THD-F 11.6 9.8 9.5

THD-R 11.5 9.7 9.5

Tabel 6. Rata-rata Hasil THDi untuk tiap fasa pada segment 3B (selatan) Rata - rata R S T

THD-F 16.2 14.7 15.2