PENENTUAN KAPASITAS DAYA REAKTIF DAN FREKUENSI TUNING FILTER PASIF UNTUK MENGURANGI KANDUNGAN ARUS HARMONIK BEBAN

Determination of Capacities Energy of Reaktif and Frequency of Tuning Passive Filter to Lessen Content Current Harmonic Burden.

Hari Prasetijo Program Studi Teknik Elektro Unsoed, email

ABSTRACT

This studi involve decresing method of harmonic current content in a radial distribution systems used single

tuned passive filter. The distribution systems model consist of transformer 20/0,4 kV supplying groups of non

linier loads that is represented by personal computer (PC) and fluorescent lamp 2x40 W as load harmonic

current source. Passive filter was installed in PCC bus (0,4 kV) and analysis to be conducted according to

IEEE std.1531-2003 and IEEE std. 519-1992. The reesult showed that insalation passive filter in PCC bus

will decrease magnitut load harmonic current significantly. The decreasing determined by reactive power

capacity and frequency tunning of passive filter.

Key word : Passive filter, harmonic current, reactive power capacity, frequency tunning Gambar 1. Filter pasif. (a) Filter frekuensi PENDAHULUAN

tunggal, (b) Filter multi frekuensi Keberadaan arus harmonik dalam

Besar arus harmonik akan direduksi sistem tenaga listrik tidak dapat dihilngkan dengan melewatkan sebagian melalui filter namun harus dibatasi agar efek negatif akibat pasif ke tanah karena pada frekuensi kandungan arus harmonik yang tinggi seperti resonansi harga impedansi filter pasif adalah pemanasan lebih transformator daya dan nol. Menurut Rao [8], arah arus harmonik motor induksi, salah kerja rele, resonansi mengalir dari beban non-linier menuju sumber dalam sistem tenaga listrik dan penurunan AC seperti pada gambar 2. umur pakai kapasitor dapat direduksi. Salah satu cara mitigasi untuk menurunkan _{hs h} kandungan arus harmonik adalah dengan filter

I I pasif frekuensi tunggal (single-tunned).

Filter Pasif Be

Filter pasif pada dasarnya merupakan

b Transformator _hf

I a n

rangkaian LC (induktor-kapasitor) seri, untuk

n F o

mereduksi arus harmonik dengan frekuensi

n ilte

tunggal (single-tuned) maupun multi frekuensi r lin

ie (multiple-tuned) seperti dalam gambar 1. _{L3 L5 L7 L9 L11} r

C3 C5 C7 C9 C11

Gambar 2. Arah aliran arus harmonik ₃ _th ₅ _{th th th th} ₇ ₉ ₁₁ dengan,

I h = arus sumber harmonic I hf = arus harmonik yang dilewatkan filter

(a) (b) ke tanah

Dinamika Rekayasa Vol. 4 No. 2 Agustus 2008 dari 135% arus nominal pada rating tegangan dan kvar-nya.

  2 /

Menurut IEEE std 1036-1992 tegangan rms harus

1 ) ( ) (

   

   

 

  h C h h C f rms

X I V ….(5) 

  

1 ) ( ) ( h C h h Cpeak f

X I V …………..(6)



110% rating tegangan rms sistem dan tegangan peak kapasitor



120% rating tegangan peak sistem. (120% x

2 x Vrms).

h. Menentukan rating kapasitas daya reaktif kapasitor Berdasar tegangan antar fase kapasitor dan impedansi kapasitor, maka rating kapasitas daya reaktif kapasitor 3 fasa adalah :

b. Menentukan kapasitas effektif daya reaktif filter :

1 ) dari beban non linier.

Perhitungan kapasitas filter pasif adalah menentukan kapasitas induktor dan kapasitor serta daya reaktif filter untuk mereduksi arus harmonik yang mengalir ke sumber sistem daya (IEEE standard 1531- 2003). Penentuan harga-harga tersebut dipengaruhi oleh besar faktor daya beban akhir yang diinginkan. Prosedur perhitungannya sebagai berikut : a. Menentukan faktor daya awal ( pf ) dan faktor daya yang diinginkan ( pf

Prosedur Perhitungan Kapasitas Filter Pasif Frekuensi Tunggal (Single-Tuned)

Ihs = arus harmonik menuju sumber AC

Hari Prasetijo Penentuan Kapasitas Daya Reaktif Dan Frekuensi Tuning Filter Pasif Untuk Mengurangi Kandungan Arus Harmonik Beban : 91- 97

g. Menentukan tegangan rms dan tegangan puncak (peak) kapasitor

-1
-1

– sin (cos

2 ) 1 ( )

Q h I h V 35 .

Pf )

Q eff = S x [sin (cos

 

2 ) (

3 C Cpeak n p Crated

X V Q 

 ………..(7)

Menurut

IEEE std

  Crated h

( 1 ) ) (

c. Menentukan frekwensi tuning filter Menurut IEEE 1531-2003 filter harmonik frekwensi tunggal (single-tuned) pemilihan frekwensinya ditentukan 3% - 15% dibawah frekwensi yang ditentukan sebagai faktor

1 

  

. i. Menentukan arus nominal kapasitor berdasar rating tegangan dan rating kvar

) (

3 ( var) kV

V Q k

I Cpeak Crated nom

 …………….(8)

Evaluasi frekuensi respon filter :

L sys L C o

X X

X h   …………….(9)

Studi dilakukan dengan memodelkan jaringan distribusi yang terdiri dari transformator distribusi 20kV/0,4V hubungan belitan Ynyn menyuplai kelompok beban non linier terdiri dari komputer dan lampu TL 2 x 40 W yang mewakili beban non linier dengan kandungan arus harmonic yang tinggi. Pada

Pf 1 )]

safety.

– 1992:

1 ( h

……………….(4) Menurut IEEE std 1036-1992 arus rms yang melalui filter harmonik harus

X X C L  …………………….(3)

f. Menentukan arus rms filter

) ( ) ( ) ( L h h C S h f

X X

V I  

2 /

2 ) (    

  

   h h f rms

I I

2 ) 1 (

………..(2)

d. Menentukan impedansi efektif filter :

X h h

 C eff

   

   

e. Menentukan reaktansi kapasitif dan reaktansi induktif pada frekwensi fundamental

V X  ………………(1)

2 eff LLsys eff

) Mvar ( ) kV (

METODE PENELITIAN

Dinamika Rekayasa Vol. 4 No. 2 Agustus 2008

ISSN 1858-3075

Point Common Coupling (PCC/bus 0,4 kelompok beban listrik berupa lampu TL (2 x

kV)dihitung spektrum magnitut arus harmonik 40) W dan komputer, dengan faktor daya total beban dengan cara merubah gelombang arus di bus 0,4 kV adalah 0,75 lagging, mengikuti beban fungsi waktu menjadi gelombang arus diagram garis seperti pada gambar 3. fungsi frekuensi dengan pemrograman MATHLAB. Spektrum magnitut arus harmonik

HASIL DAN PEMBAHASAN

diperkecil menggunakan filter pasif frekuensi tunggal agar memenuhi batas dalam IEEE Std.

Dengan melakukan penjumlahan 519-1992. Penentuan kapasitas dan tuning vektor spektrum arus ganjil line A, B dan C filter pasif dilakukan berdasar IEEE Std. 1531-

(lihat gambar 3) diperoleh spektrum magnitut 2003. arus di titik D seperti dalam tabel 1. Arus fundamental diasumsikan sama dengan rated

Studi current (I 1 = I R ).

Transformator Ynyn disuplai dari sistem tenaga listrik serta dihubungkan dengan

50 A

30 MVA 100 kVA

50% Lampu TL(2x40) D A

150/20 kV 20/0,4 kV & 50% Komputer

144,3 A X =8% _{T T} X =4%

NET

X _line

50A 60% Lampu TL(2x40) B

& 40% Komputer 2,1 + j1,149

Ynyn

(ohm) 44,3 A

MVAsc

40% Lampu TL(2x40)

250 MVA L C PCC & 60% Komputer

X _C _0.800 _0.600 _1.000

Gambar 3. Diagram garis pemodelan

_1.500 _2.500 _2.000 _{s 0.000} _ru _{( (} _{a -0.200} _A ₎ _-0.800 _-0.600 _-1.000 _-0.400 _{0.200 A} _0.400 _{.0 .2 .5 .7 .0 .2 .5 .7 .0 .2 .5 .7 .0 .2 .5 .7} ₁ ₅ ₂ ₅ ₃ ₅ ₅ ₆ ₇ _{waktu (ms)} ₈ ₅ ₁ ₁ ₅ ₁ ₂ ₁ ₁ ₃ ₅ ₁ ₅ ₁ ₅ ₆ ₇ ₁ ₁ ₅ ₈ _rus _{a -0.500} ₎ _-2.500 _-1.000 _-1.500 _-2.000 _0.500 _0.000 1.000 _{.0 .9 .8 .8 .7 .6 .6 .5 .5 .4 .3 .3 .2 .1 .1 .0 .0 .9 .8 .8 .7 .6}

₃

₈

₁ ₇ ₅ ₂ ₃ ₁ ₃ ₅ ₈ ₈ ₄ ₂ ₅ ₅ ₆ ₃ ₆ ₇ _{waktu (ms)} ₈ ₃ ₈ ₇ ₉ ₅ ₁ ₁ ₃ ₁ ₁ ₅ ₁ ₈ ₈ ₂ ₁ ₃ ₂ ₅ ₆ ₁ ₄ ₃ ₁ ₅ ₃ ₁ ₅ ₈ ₁ ₅ ₇ ₆ ₁ ₁ ₃ ₇ ₅ ₈ ₁ ₈ ₉ ₁ ₈ Gambar 4. (a) Spektrum arus lampu TL (2x40) W, fungsi waktu

(b) Spektrum arus komputer, fungsi waktu Hari Prasetijo Penentuan Kapasitas Daya Reaktif Dan Frekuensi Tuning Filter Pasif Untuk Mengurangi Kandungan Arus Harmonik Beban : 91- 97

Tabel 1. Spektrum arus titik D

I D (A)

I D (%) 1 144,300 100,0

45,620 31,6

3 5 41,943 29,1 7 21,352 14,8 9 9,779 6,8 11 5,454 3,8 13 3,027 2,1 15 2,061 1,4 17 3,978 2,8 19 3,018 2,1 21 1,969 1,4 23 2,609 1,8 25 1,790 1,2

Total TDD Dibanding dengan IEEE Std. Perhitungan kapasitas filter harmonik dengan

C57.110-1998 filter orde ke-3 di bus 0,4 kV :

Berdasar pemodelan gambar 3, untuk

a. Menentukan faktor daya awal ( pf ) dan I load (I L ) = I rating (I R ) di titik D (PCC) diperoleh faktor daya yang diinginkan ( pf

1 ) dari beban non linier.

I SC / I L = ( 119,5 kA / 144,3 A ) = 828. Menurut

IEEE Std. 519-1992 batas TDD arus harmonik pf = 0,75 ; pf

1 = 0,9

untuk h < 11 adalah 12%, sehingga arus

b. Menentukan kapasitas effektif daya reaktif harmonik ke-3, ke-5 dan ke-7 melebihi batas filter karena besarnya masing-masing berturutan

31,6% , 29,1% dan 14,8% Batas arus

-1 -1

harmonik untuk 11  h <17 adalah 5,5%,

Q eff = S x [sin (cos Pf )

– sin (cos

sehingga arus harmonik dalam selang orde ini

Pf 1 )]

tidak ada yang melebihi batas. Batas arus

-1 -1

harmonik untuk 17  h <23 adalah 5%,

= 100 [sin (cos 0,75)

– sin (cos

sehingga arus harmonik dalam selang orde ini

0,9)]

tidak ada yang melebihi batas. Batas arus

o o

harmonik untuk 23  h <35 adalah 2%, = 100 [sin 41,417 ]

– sin 25,84

sehingga arus harmonik dalam selang orde ini = 100 x 0,226 tidak ada yang melebihi batas. Pemilihan = 22,6 kvar frekuensi filter dimulai dari frekuensi terendah arus harmonik.

Dinamika Rekayasa Vol. 4 No. 2 Agustus 2008

ISSN 1858-3075

c. Menentukan frekwensi tuning filter

8 , 098 1 , 018

X   

L ( 1 )

2 Menurut IEEE 1531-1993 frekwensi filter 2 ,

harmonik single-tuned ditentukan 3% - 15% dibawah frekwensi yang ditentukan sebagai h = orde harmonik yang di-tune oleh filter. faktor safety.

f. Menentukan arus rms filter

V S

d. Menentukan impedansi efektif filter :

I  f

( 1 ) X 

X C ( 1 ) L ( 1 )

2 ( kV )

LLsys

V X  1 /

2 eff

 ( kvar )

2 eff

  I 

I   rms f ( h )

 h

1   

2 ( , 4 ) kV

7 ,

08 X   

eff Arus fundamental pada filter yang

22 , 6 var k terhubung bintang (RAO, 1999):

e. Menentukan reaktansi kapasitif dan

, 4 /

3 kV

reaktansi induktif pada frekwensi  

32 ,

6 I   A f

( 1 )

fundamental

8 , 098 1 , 018 

2  h 

1 =144,3

– 32,6 = 111,7 A

X  X  C ( 1 ) eff

2  

1 h 

111 ,

7   77 , 4 % 

144 ,

3 Rangkaian pengganti untuk menghitung arus

2  2 , 82 

harmonik pada filter menurut IEEE Std 1531-

7 ,

08 8 , 098 X x

   C ( 1 )

2003 seperti gambar 5:

  2 ,

1   

X C ( 1 )

X 

L ( 1 )

2 h

2,1 4,336 ohm ohm 1,018 ohm

32,6 A 8,098 ohm Sumber Filter Beban non linier

Gambar 5. Rangkaian ganti arus harmonik fundamental dengan filter orde ke-3 di bus 0,4 kV

transformator Ynyn

0.8

1.7

0.4

0.6

2.5

3.0

0.7

1.0

4.5

5.5

1.2

8.1

1.7

9.8

2.4

3.5

17.8

21.4

4.0

5.8

36.2

41.9

Hari Prasetijo Penentuan Kapasitas Daya Reaktif Dan Frekuensi Tuning Filter Pasif Untuk Mengurangi Kandungan Arus Harmonik Beban : 91- 97

2.1

0.4

44.4

0.3

 h <17 = 5,5%, 17 h <23 = 5%, 23 h <35 =2% sudah terpenuhi.

I h = arus harmonik orde ke-h dari beban menuju ke PCC I f(h) = arus harmonik orde ke-h menuju ke filter I s(h) = arus harmonik orde ke-h menuju ke sumber daya Dengan pemasangan filter pasif pada bus 0,4 kV batas TDD arus harmonik untuk h < 11 =12%, 11

0.6 dengan, h = orde frekuensi

0.9

1.8

0.3

0.5

2.1

2.6

0.4

0.3

1.6

2.0

0.4

0.6

2.5

3.0

0.5

0.7

3.2

4.0

1.2

45.6

Sumber Filter Beban non linier 13,008 ohm

3 1 ) 1 ( )

2 ) ) 1 (

   1 ,

X X hs hs

3 ( x

3 ) ) 1 (

, 13 336

X      008 ,

X C

C C

1 ( ) 3 (

I L 144 3 , 4 ,

3 098 ,

     699 ,

X L L 

X L

1 ( ) 3 ( x

3 ) ) 1 (

     055 , , 3 018

Arus orde ke-3 pada filter :

3 ( hs hs R R A kV x kVA

3 100  

I ^f (3)

77.4

32.6 111.7

pemasangan filter pasif orde ke-3 di bus 0,4 kV transformator Ynyn h Ih(A) I f(h) I s(h) (A) I s(h) (%) 1 144.3

Tabel 2. Hasil perhitungan arus setelah

pembagian arus orde 1 sampai orde 25 seperti dalam tabel 2.

tune 2,82 pu tersebut akan menghasilkan

Dengan perhitungan yang sama maka pemasangan filter orde ke-3 pada frekwensi

I I

3   x

% % 8 , 100 144 3 , 2 ,

2,699 ohm 45,6 A

   

A x

) 2 ( 008 , 13 ( ₎ _{3 (} ² ² ⁾ ^{3 (}    

13 176 , 13 ) 1 ,

44 6 , 45 699 ,

I Z _f _hs 4 ,

A A x

ordeke-3 dengan filter di bus 0,4 kV transformator Ynyn

Gambar 6. Rangkaian ganti arus harmonik

Rangkaian pengganti untuk menghitung arus harmonik orde ke-3 pada filter seperti gambar 6 :

3   

45 , 316 144 3 ,

6 ,

I th

2,1 ohm 3,055 ohm

KESIMPULAN DAN SARAN

Coupling akan menurunkan magnitut arus harmonik beban.

1. Pemasangan filter pasif di Point Common

3 = 45,6

, 2 055 , 3 176 13 176 ,

– 44,4 = 1,2 A Perbandingan terhadap arus fundamental :

Dinamika Rekayasa Vol. 4 No. 2 Agustus 2008

ISSN 1858-3075

2. Besarnya penurunan magnitut arus

IEEE standard 1531-2003, IEEE Guide for harmonik beban ditentukan oleh Application and Specification of kapasitas dan tuning filter pasif. HarmonicFilters.

IEEE standard C57.91-1995, Loading Guide

for Mineral-Oil-Immersed Immersed DAFTAR PUSTAKA Transformers.

Grady, M

.” Understanding Power System

IEEE Std C57.110-1998, IEEE Recommended Harmonics”.

Practice for Establishing Transformer Juni 2006. Capability when Supplying Prasetijo, H.”Pengaruh Arus Harmonik Beban Nonsinusoidal Load Current.

Terhadap Rugi-Rugi Transformator R.C. Dugan, M.F. McGranaghan, H.W. Beaty, Distribusi”. STEI ITB, 2007.

S. Surya.”Electrical Power Systems Lowenste in, M.Z.”The 3rd Harmonic Blocking Quality

”.McGraw Hill, USA, 2003. Filter : Awell Establish Approach to

RAO, S. ”EHV-AC, HVDC Transmission & Harmonic Current Mitigation ”.

Distribution Enginneering

”. Khanna Publishers, Nai Sarak Delhi, 1999.

PENENTUAN KAPASITAS DAYA REAKTIF DAN FREKUENSI TUNING FILTER PASIF UNTUK MENGURANGI KANDUNGAN ARUS HARMONIK BEBAN