Analisis Penggunaan Filter Aktif …

I Wayan Rinas dkk

ANALISIS PENGGUNAAN FILTER AKTIF SHUNT UNTUK MENANGGULANGI THD DI RSUP SANGLAH

I Wayan Rinas *), Antonius Ibi Weking *), I Md Eddy Purwa A.**)

*

Staff Pengajar Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Udayana

Kampus Bukit Jimbaran, Bali, 80361

**

Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Udayana

Abstrak

Rumah Sakit Umum Pusat Sanglah (RSUP) memiliki tingkat THD (Total Harmonics Distortion) arus yang tidak sesuai dengan standar IEEE 159-1992. THD arus yang berlebih dapat menyebabkan berbagai kekurangan. Untuk mengatasi masalah ini digunakan filter aktif shunt berbasis inverter. Dalam penelitian ini dilakukan simulasi penggunaan filter aktif menggunakan sofware simulink MATLAB 7.0.4

Hasil analisis menunjukan pemasangan filter aktif menyebabkan terjadi penurunan kandungan THD arus dan THD tegangan pada feeder yang bermasalah. Kandungan THD arus dan THD tegangan telah sesuai dengan IEEE 152-1992. Daya distorsi harmonisa pada sistem mengalami penurunan dan terjadi peningkatan faktor daya mendekati unity power factor pada feeder.

Kata kunci : harmonisa, inverter dan filter aktif

  • 1    PENDAHULUAN

Kandungan harmonisa yang tinggi di RSUP Sanglah dapat menganggu kinerja peralatan-peralatan kedokteran yang bersifat sensitif, menyebabkan umur pemakaian peralatan menjadi berkurang. Selain itu menyebabkan rugi-rugi daya pada sistem meningkat, pemanasan berlebih pada transformator, penghantar netral mengalami pemanasan akibat peningkatan arus. Peralatan pengaman mengalami trip yang tidak jelas serta mempengaruhi kinerja alat ukur yang ada pada sistem tenaga listrik.

Sistem kelistrikan pada RSUP Sanglah sendiri pada line normalnya terdiri dari lima buah Main Distribution Panel (Gardu Bangunan/MDP/Kios) yang tepasang begitu banyak beban nonlinear. Masing-masing MDP memiliki sub-terminal berupa MLTP (Main Low Terminal Panel). RSUP Sanglah mendapat pasokan dari PLN (20kV) dan generator set pada keadaan emergency.Data hasil pengukuran pada feeder di tiap-tiap MDP di RSUP sanglah menunjukan kandungan THD (Total Harmonic Distortion) arus pada feeder trafo 2 pada MDP 2, feeder Trafo 1 dan 2 pada MDP 3, feeder 2 trafo 2 pada MDP 4 serta feeder trafo 2 dan 3 pada MDP 5 memiliki kandungan harmonisa yang tidak sesuai dengan Standar IEEE 512 Tahun 1992, yaitu lebih dari 8 %.

Salah satu upaya untuk meminimalisasi harmonisa adalah penggunaan filter aktif. Filter aktif juga dapat meningkatkan faktor daya sistem dan juga tidak menghasilkan resonansi pada sistem. Filter aktif yang digunakan adalah filter aktif shunt dengan menggunakan conventional PWM (Pulse Width Modulation) based inverter.

Dari permasalahan tersebut diadakan penelitian untuk mengetahui penggunaan filter aktif shunt untuk menanggulangi THD arus di Rumah Sakit Umum Pusat (RSUP) Sanglah. Hasil analisis berguna untuk

mengetahui tingkat kandungan THD arus setelah penggunaan filter aktif apakah telah sesuai standar yang diperbolehkan.

Penelitian ini menggunakan filter aktif shunt dengan PWM konvesional berbasis inverter dimana sistem diasumsikan degan sistem beban seimbang. Simulasi menngunakan Simulink.

  • 2    TINJAUAN PUSTAKA

    • 2.1    Harmonisa Pada Sistem Tenaga Listrik

Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul akibat pengoperasian beban listrik non linier, yang merupakan sumber terbentuknya gelombang frekuensi tinggi (kelipatan dari frekuensi fundamental, misal: 100Hz, 150Hz, 200Hz, 300Hz, dan seterusnya). Tingkat kecacatan seringkali dinyatakan dengan Total Harmonic Distortion (THD), yang dinyatakan sebagai berikut (pada contoh ini misalkan untuk arus) (Arrilaga,1985):

  • .112 -12                 ..

THDi=      - × 100%            (2.1)

  • 2.2    FFT

Fast Fourier Transform (FFT) adalah salah satu metode analisis sinyal yang handal, banyak digunakan untuk analisis sinyal digital. (Brigham,1988)

∞

X(f) = F{x(t)} = ∫ x(t) e-j2ft dt (2.2)

∞

Dimana x(t) adalah time domain sinyal, dan X(f) adalah transformasi fourier.

  • 2.3    Filter Aktif Harmonik

Prinsip dasar dari Filter Aktif menggunakan teknologi elektronika daya untuk menghasilkan

komponen arus spesifik yang bertujuan untuk menggagalkan komponen arus harmonisa yang dihasilkan oleh beban non-linear. (Salam, 2006)

Konsep filter aktif dengan PWM (Pulse Width Modulation) berbasis inverter yaitu penggunaan arus harmonisa untuk menanggulangi arus harmonisa dari beban nonlinear yang ada pada sistem tenaga listrik. Filter aktif jenis ini menggunakan power electronic switching untuk menghasilkan arus harmonisa untuk diinjeksikan ke sistem. (Suresh,2008)

Gambar 1. Skema Filter aktif konvensional (PWM-VSI) (Suresh,2008)

Penggunaan VSI (Voltage Source Inverter) untuk memungkinkan pengaturan arus harmonisa pada filter aktif. Inverter ini menggunakan kapasitor dc sebagai supply dan dapat melakukan proses switching pada frekwensi yang tinggi untuk menghasilkan sinyal yang mampu mengatasi arus harmonisa yang dihasilkan beban nonlinear. Inverter yang digunakan merupakan inverter jenis bipolar. Mode operasi dari penggunaan PWM-VSI sering disebut dengan Current Injection Type APF.

  • 2.4    Ripple

Ripple factor (Y) didefinisikan sebagai perbandingan antara nilai rms dari tegangan ripple pada komponen dc pada output tegangan. Dapat juga dikatakan ripple voltage merupakan nilai peak-to-peak dari output tegangan.

Dan untuk ripple factor dapat di formulasikan

sebagai berikut

RF =

1

(2.3)

4√3 .f .C.R

RF =

Dimana,

0.236R

(2.4)

ωL

Vpp adalah tegangan peak-to-peak ripple I adalah arus pada sirkuit f adalah frekensi sistem AC

C adalah kapasitansi

R adalah resistansi

  • 2.5    Karakter DC Bus

Vn tegangan kapasitor = 1V8c3 Volt

(2.5)


Cdc =


0.0345 x Sn

Vn2


Farad


(2.6)


Dimana Vc merupakan nilai rms dari tegangan sumber (Vs)

  • 2.6    Standar IEEE 519-1992

Tabel 1 dari IEEE standard 519-1992, menyarankan nilai-nilai berikut sebagai batas maksimum yang direkomendasikan

Tabel 1. Standar IEEE 519-1992

maximum harmonenc c urrent distortion in ⅜ of FLtNDA MENTAL

Is IL.

Harmonic order (Odd Harmonic)

THD (%)

< 11

11 ≤h≤ 17

17≤h≤23

23 ≤h≤25

35 <h

<20*

4.0

2 0

15

CLb

CL 3

5.0

20-50

7.0

3.5

2.5

1.0

0.5

8.0

50-100

10.0

4 5

4.0

1.5

0.7

12.0

1001000

12.0

5.5

5.0

2.0

1.0

15.0

>1000

15.0

7.0

6.0

2 5

1.4

20.0

Evenhaimoniccs are Iimted to 25% of the odd harmonics above

*AΠ power generation equipment is limited to these values of cuenent distortion, regardless of actual IscTL

Where Isc= Maximum short circuit current at PCC

And IL = Maximumload current ( fundamental frequency )at PCC

For PCCs from69 to 13SkV. the limits are 50 % Ofthelimits above.

A case-by-case evaluation is requaned__________________________________________________________

Sumber : Duffey, C. K ; Stratford, R. P, 1989

  • 3    METODE PENELITIAN

Data-data yang digunakan dalam penelitian ini adalah data sekunder yang diperoleh dari data-data yang telah ada di RSUP Sanglah, antara lain :

  • 1.    Data single line diagram sistem kelistrikan di RSUP Sanglah.

  • 2.    Data jumlah dan kapasitas beban nonlinear yang terpasang pada feeder trafo daya di tiap-tiap MDP.

  • 3.    Data teknik trafo daya masing-masing MDP.

  • 4.    Data panjang dan spesifikasi feeder

  • 5.    Data pengukuran THD arus pada feeder trafo daya di tiap-tiap MDP

Analisis sistem dilakukan dengan simulasi menggunakan MATLAB simulink seperti ditunjukkan pada gambar.2. Terlebih dahulu beban non linear dikelompokan sehingga simulasi terdiri dari komponen penting seperti Sumber tiga phasa, feeder serta beban non linear. Sumber tiga phasa

identik dengan komponen sekunder dari trafo dan beban non linear berupa diode sebagai penyumbang harmonisa terbesar pada sistem.

  • 4    PEMBAHASAN

Terdapat 6 feeder trafo yang bermasalah diantaranya:

  • >    Feeder Trafo 2 (MLTP 2) di MDP 2

  • >    Feeder Trafo 1 (mLTP 1) di MDP 3

  • >    Feeder Trafo 2 (mLTP 2) di MDP 3

  • >    Feeder Trafo 2 (mLTP 2) di MDP 4

  • >    Feeder Trafo 2 (mLTP 2) di MDP 5

  • >    Feeder Trafo 3 (mLTP 2) di MDP 5

Dimana keenam feeder tersebut memiliki kandungan harmonisa yang tidak sesuai seperti tabel 2.

Gambar 2. Model Simulasi


  • 4.1    Simulasi Tanpa Filter

Simulasi pada feeder trafo 2 (MLTP2) di MDP 2 membutuhkan parameter sebagai berikut:

  • >    sumber tiga phasa ekivalen dengan sekunder trafo pada feeder tersebut. Dimana parameter trafo adalah:

Vtrafo = 400/231 V, Z = 4%,f= 50% , X/R = 3,18, Rsumber = 0.00767 Ohm dan L sumber = 7,67e-5 Henry

  • >    Beban nonlinear sebesar 28680,3 watt per phasa

  • >    Dengan R beban sebesar 1,69 Ohm dan L beban sebesar 0,037 Henry.

Dimana hasil simulasi arus ditunjukan pada gambar.3 dan spektrum harmonisa ditunjukan pada gambar.4

Gambar 3. Hasil Simulasi

Gambar 4. Spectrum Harmonisa

Hasil simulasi sebelum penggunaan filter THD arus sebesar 10,20 % sedangkan setelah filter aktif dipasang, THDarus menjadi 6,97%. Dan Faktor daya meningkat dari 0,83 menjadi 0,99. Untuk hasil simulasi pada feeder trafo yang lainya dapat dilihat pada tabel 3.

  • 4.2    Simulasi dengan Pemasangan Filter

Pada feeder trafo 2 MDP 2 daya semu terukur adalah 73250 VA, Vp-p 400 Volt, F= 50Hz, Tegangan kapasitor (Vn) = 154,5 V, dan Kapasitansi Dc Bus(Cdc) = 0,1 farad. Dimana Model Filter aktif ditunjukkan pada gambar 5. Hasil simulasi ditunjukan pada gambar 6 dan 7.

Tabel 3. Hasil Simulasi Untuk Semua Feeder

XO

TEMPAT

THD I (Arus)

IEEE 5191992

Sesuai

Standar/

Tidak

Tanpa FUter

Dengan FUter

Δ%

1

Feedertrafod MDPi

10,20%

6,97 %

3,23

8,0 %

Sesuai

2

Feedertrafol MDP3

10,29%

6,68 %

3,61

8,0 %

Sesuai

3

Feedertrafod MDP3

9,88 %

7,52 %

2,36

8,0%

Sesuai

4

Feedertrafod MDP4

10,55 %

7,78 %

2,77

8,0 ⅜

Sesuai

5

Feeder trafo2MDP5

17,24 %

7,66 %

9,58

8,0%

Sesuai

6

Feeder trafo3MDP5

9,84 %

6,27 %

3,57

8,0%

Sesuai

O

Gambar 5. Model Filter Aktif


Gambar 5. Hasil Simulasi


Gambar 7. Spectrum Harmonisa


  • 5 KESIMPULAN

Dari hasil simulasi dapat disimpulkan beberapa hal :

  • 1.    Dengan pemakaian filter aktif konvensional berbasis inverter kandungan THD arus dan THD tegangan mengalami penurunan. Kandungan THD arus dan teganan memenuhi standar IEEE 519-1992.

  • 2.    Kandungan THD arus setelah pemakaian filter menyentuh nilai terendah pada 6,27 % pada feeder trafo 3 MDP 5 hingga nilai tertinggi pada 7,78% terletak pada feeder trafo 2 MDP 4, dimana penurunan THD arus mencapai 9,58 % pada feeder trafo 2 MDP 5. Kandungan THD tegangan setelah pemakaian filter menyentuh nilai terendah pada 0,56 % pada feeder trafo 3 MDP 5 hingga nilai tertinggi pada 2,26% terdapat pada feeder trafo 2 MDP 3, dimana penurunan THD tegangan mencapai 0,12 % pada feeder trafo 2 MDP 4.

  • 3.    Salah satu keunggulan filter aktif yaitu peningkatan faktor daya, hasil analisis menunjukkan di seluruh feeder yang disimulasikan peningkatan faktor daya mencapai nilai yang mendekati unity power faktor yaitu 0,99. Begitu juga daya distorsi mengalami penurunan dengan total penurunan untuk keseluruhan feeder adalah 5,4661 kVA.

  • 6 DAFTAR PUSTAKA

  • [1]    Arrillaga. 1985. Power System Harmonic. USA John Wiley & Son Ltd.

  • [2]    Brigham. 1987. The Fast Fourier Transform and its Applications. New Jersey: Prentice Hall.

  • [3]    Buhron ; Sutanto. 2001. Implikasi Harmonisa dalam Sistem Tenaga Listrik dan Alternatif Solusinya. Dept. Teknik Energi Politeknik Negeri Bandung, Dept. Teknik Elektro Universitas Siliwangi Tasikmalaya dan Staf Operasi Distribusi PLN Distribusi Jawa Barat dan Banten.

  • [4]    Duffey ; Stratford.1989. Update of Harmonic Standard IEEE-519 : IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems. IEEE Transaction on Industry Applications, Vol. 25. No. 6, November / December 1989.

  • [5]    Dugan, ; Rizy. 2001. Harmonic Considerations for Electrical Distribution Feeders, National Technical Information Service, Report No. ORNL/Sub/81-95011/4 (Cooper Power Systems as Bulletin 87011, “Electrical Power System Harmonics, Design Guide”).

  • [6]    Salam Z,dkk. 2006. Harmonics Mitigation Using Active Power Filter: A Technological Review. Department of Energy Conversion, Faculty of Electrical Engineering, University Teknologi Malaysia, ELEKTRIKA, 8(2), 2006, 17‐26.

  • [7]    Sekaran dkk. 2007. Analysis And Simulation Of A New Shunt Active Power Filter Using Cascaded Multilevel Inverter. Department of Electrical and Electronics Engineering, Coimbatore Institute of Technology, Coimbatore, Tamil Nadu, INDIA.

Teknologi Elektro

3 1

Vol. 8 No.2 Juli - Desember 2009