Simulasi Perbaikan Kualitas Suplai Daya Beban ... - Pusat Studi

Simulasi Perbaikan Kualitas Suplai Daya Beban Takseimbang Menggunakan TeoriInstantaneous Power p-q dengan Matlab SimulinkSetiyono 1 , Kunto Wibowo 2 , Eri Prasetyo 3Jurusan Teknik Elektro Universitas Gunadarma JakartaJl. Margonda Raya 100 Telp. (021) 78881112 ext 444Email : setiyono@staff.gunadarma.ac.id 1 , mazkunto@staff.gunadarma.ac.id 2 , eri@staff.gunadarma.ac.id 3AbstrakBentuk gelombang tegangan dan arus yang diharapanpada suatu sistem daya adalah sinusoidal murni,namun hal tersebut sering sulit dicapai. Faktadilapangan mengindikasikan bahwa pergeseran darikeadaan beban linier ke beban nonlinier seringmenimbulkan bebagai masalah, yaitu penyusupangelombang harmonis akibat inkompatibilitasperalatan, peningkatan rerugi dan penurunanefisiensi sistem, penyimpangan sistem pengukurandan analisis sistem tenaga, penurunan keandalansistem. Oleh karena arus harmonisa cenderungmendominasi sistem berimpedansi rendah yangdimiliki sistem bersifat kapasitif karena pengaruhfrekuensi tinggi yang ditimbulkan oleh harmonisamemudahkan penerobosan ke sistem tersebut. Secaragaris besar, penelitian ini mengulas masalahpembangkitan harmonisa, masalah yangditimbulkannya, serta solusi yang dapat diambil, baiksecara teknis maupun kebijakan. Paper juga inimengevaluasi metode pada perhitungan kompensasiarus yang digunakan untuk mengkompensasi systemtiga fasa dengan beban tak seimbang.Kata Kunci : Actif Filter, Kompensasi Harmonisa,Beban Tak Seimbang1. PendahuluanKecenderungan penggunaan beban-beban elektronikdalam jumlah besar sering menimbulkan masalah yangtidak terprediksi sebelumnya. Berbeda dengan bebanbebanlistrik yang menarik arus sinusoidal, beban-bebanelektronik cenderung menarik arus dengan bentuknonsinusoidal, walaupun disuplai dari sumber tegangansinusoidal. Beban yang memiliki sifat tersebut dikatakansebagai beban nonlinier. Arus yang tidak berbentuksinusoidal mengintrodusir komponen arus frekuensitinggi yang terinjeksi ke jala-jala, yang dikenal dengannama arus harmonisa sehingga fenomena ini seringkalidisebut dengan polusi harmonisa. Arus harmonisaternyata menimbulkan sangat banyak implikasi negatif,baik bagi pelanggan maupun power provider. Kerugianakibat harmonisa mencakup aspek teknis, biaya dankeandalan. Pada umumnya harmonisa yang mengikutpada jala-jala banyak disebabkan oleh penggunaanperangkat elektronik yang didalamnya terdapatpembangkit gelombang (osilator) berfrekuensi tinggi ataupola switching. Sebagai contoh adalah, mesin foto kopi,mesin ketik elektronik, lampu menggunakan ballast,personal komputer, sistem komputer, terminal komputer,alat rekam, televisi, pemutar video, perlengkapan audiovisual, SCR pendorong motor, SCR pendorong elevator,UPS, alat perlengkapan uji pada laboratorium, alat deteksipada rumah sakit dan sebagainya. Selain hal tersebutdiatas, masih terdapat masalah-masalah yangberhubungan dengan harmonisa yang terjadi di dalamsuatu bangunan/ gedung. Sebagai contoh adalah, panaslebih (overheating) dan kerusakan/ kegagalan penghantarnetral, panas lebih dan kerusakan/ kegagalan terhadapsaluran penghubung papan penampil (panel board),distorsi saluran jala-jala, tegangan bermuara sama(common mode) yang lebih tinggi, gangguan trippingpada circuit breacker, panas lebih dan kegagalanprematur pada trafo distribusi, dan sebagainya. Pada aktiffilter mengandung teknik pengaturan perhitungan bagipengaruh harmonisa yang akan dihilangkan. Biasanyaaktif filter ini dibangun bersama dengan inverter tiga fasayang digunakan untuk menginjeksi arus, Ic pada jaringanjala jala seperti tampak pada gambar 1.Gambar 1. Sebuah rangkaian Shunt Active Filter1

2. Metode Kendali Pada Aktif Filter2.1. Metode FBD (Frize- Buchholz-Depenbrock)Diajukan oleh Depenbrock yaitu memisahkan ataumengurai arus beban di dalam komponen daya dankomponen rerugi daya. Tujuannya adalahmengkompensasi semua komponen yang tidak dihasilkanoleh power system, tetapi memberikan faktor daya yangkurang dari 1. Metode ini mengatakan bahwa rasio dayarerata yang dikonsumsi oleh beban dan nilai teganganRMS diberikan pernyataan sebagai ( 7 8) :G dimana= Vp32Σ2V adalah tegangan rms (1)Σ2 2 2 2VΣ= Va+ Vb+ Vc(2)dan V a , Vb, Vcadalah nilai tegangan rms pada fasa a,b dan c. P adalah nilai rerata daya sesaat tiga fasa yang3dihitung dari daya aktif. Besarnya arus referensi dapatdihitung dengan :i ca ( t ) = G . v a ( t ) − i a ( t )(3)iicbcc( t ) = G . v ( t ) − i ( t )b( t ) = G . v ( t ) − i ( t )c2.2. Metode Referensi SinkronMetode ini menggunakan Transformasi Park.Komponen arus injeksi Park sebuah sistem tiga fasa dapatditemukan melalui penerapan Clark Transform yangmenyebabkan arus i a , ib, icdirepresentasikan kedalamdua koordinat i α dan iβkemudian dengan rotasireferensi sistem sudud θ dimasukan kedalam koordinatiddan i q . Kemudian dengan adanya komponen nol,maka nilai arus pada koordinat 0 − d − q dapatdiperoleh :⎡ 1⎢⎡i⎤ ⎢ 2⎢ 0 ⎥ ⎢⎢i⎥ = ⎢cosθ⎢d⎥ ⎢⎢⎣i q ⎥⎦⎢⎢−sin θ⎣bc(4)(5)12⎛cos⎜θ−⎝⎛− sin ⎜θ−⎝2π⎞⎟3 ⎠2π⎞⎟3 ⎠1 ⎤⎥2 ⎥ ⎡i a⎤⎛ 2π⎞ ⎥ ⎢ ⎥cos⎜θ+ ⎟ ⎥ ⎢i⎥⎝ 3 ⎠b⎥ ⎢ ⎥⎛ ⎞⎥⎣i 2πc ⎦− sin ⎜θ+ ⎟⎥⎝ 3 ⎠⎦(6)Untuk meminimalkan daya reaktif yang hilang , harusdikompensasikan daya reaktif sebesar :⎡v. iq 0r ⎢q t)= ⎢v⎢⎣v. id q− v− v(0.idd. i00− v. iqq. id⎤⎥⎥⎥⎦Untuk tujuan membuat nol pada daya reaktif makadiperoleh hubungan :r rq(t)= 0 ⇒v . i0dqv . idq0v . i− v− vd− v0q. i. i0. iqd= 0= 0= 02.3. Metode p – q TheoryTeori ini juga dikenal dengan ”instantaneous powertheory” yang dtulis oleh Akagi pada tahun 1983 untukmengontrol aktif filter. p–q teori mengandungtransformasi aljabar tegangan dan arus sistem tiga fasadari koordinat a − b − c ke koordinat α − β − 0yang diikuti oleh perhitungan komponen teori daya sesaatsebagai berikut (1 2 3 7 8) :⎡v⎢⎢v⎢⎣v⎡i⎢⎢i⎢⎣i0αβ0αβ⎤⎥⎥ =⎥⎦⎤⎥⎥ =⎥⎦⎡12 ⎢⎢13 ⎢⎢⎣0⎡12 ⎢⎢13 ⎢⎢⎣00v0.i0221 2 1 2 ⎤⎡va⎤⎥⎢⎥−12 −12 ⎥⎢vb⎥⎥3 2 − 3 2 ⎢ ⎥⎥⎦⎣vc⎦1 2 1 2 ⎤⎡ia⎤⎥⎢⎥−12 −12 ⎥⎢ib⎥⎥3 2 − 3 2 ⎢ ⎥⎥⎦⎣ic⎦p = adalah daya sesaat urutan nol(8)(9)(10)p = v α iα+ vβiβ adalah daya nyataq = vαiβ− vβiαadalah daya imajinaer (reaktif power)Hubungan nilai tegangan dan arus komponen p dan qpada koordinatα − β adalahDaya sesaat dapat dihitung dengan :p .( t)= v0 . i0+ vd. id+ vqiq(7)⎡ p⎤⎡vα⎢ ⎥ = ⎢⎣q⎦ ⎢⎣− vβvvβα⎤⎡i⎥⎢⎥⎦⎢⎣iαβ⎤⎥⎥⎦(11)Nilai nilai ini diilustrasikan pada gambar 2 berikut ini2

pp~~p p00Gambar 2. Komponen Daya Teori p-qp = Nilai rata rata dari daya sesaat urutan nol, yaitu0yang berkaitan dengan energi persatuan waktu yangditransfer dari power suply ke beban melalui komoponentegangan dan arus urutan nol.~ p = Nilai bolak balik dari daya sesaat urutan nol, yaitu0energi persatuan waktu yang diubah diantara power suplydengan beban melalui komponen urutan nol.p = Nilai rata rata daya sesaat , yaitu energi persatuanwaktu yang ditransfer dari power suply ke beban melaluikawat atau koordinat a b c.p~ = Nilai bolak balik dari daya sesaat , yaitu energipersatuan waktu yang diubah diantara power suply danbeban melalui kawat atau koordinat a b c.q = Nilai daya sesaat imajiner, yaitu daya yang diubahdiantara phasa ke beban.Seperti telah dijelaskan sebelumnya, p adalahkomponen daya p q yang selalu diharapkan. Kuantitas inidapat dikompensasi menggunakan paralel aktif filterseperti tampak pada gambar 3. p dapat dikompensasi0tanpa memerlukan banyak power suply pada paralel aktiffilter. kuatitas ini dikirimkan dari power suply ke bebanmelalui aktif filter. Ini artinya bahwa energi yangsebelumnya ditransfer dari sumber ke beban melaluikomponen tegangan dan arus urutan nol, sekarangdikirimkan melalui sebuah jalan yang seimbang padasumber kawat fasa (7 8) .p p0qp~ qpPada gambar 3 kapasitor hanya perlu meng-kompensasip~ dan~ p0 , selama nilai ini harus disimpan padakomponen tersebut pada beberapa saat untuk kemudiandikirimkan ke beban. Untuk kalkulasi arus kompensasireferensi ke dalam koordinat α − β persamaan dibalikdan daya dikompensasi menggunakan persamaan :⎡i⎤ ⎡v− v ⎤⎡~*cα1 α β p − p0⎤⎢ ⎥ = ⎢ ⎥⎢⎥ (12)2 2⎢i*⎣ cβ⎥⎦vα+ vβ⎢⎣vβvα⎥⎦⎣ q ⎦Selama arus urutan nol dikompensasi, arus referensi padakoordinat 0 adalah i = i , dan untuk memperoleh arus0 * 0kompensasi referensi koordinat abc transformasi balikdiberikan dala persamaan :⎡i⎡⎤⎡⎤*⎤ 1 2 1 0 i *cac0⎢ ⎥ 2 ⎢⎥⎢⎥⎢i* ⎥ = ⎢12 −12 3 2 ⎥⎢i* ⎥ (13)cbcα⎢ ⎥ 3 ⎢⎥⎢⎥*⎣i⎦ ⎢⎣1 2 − 1 2 − 3 2⎥⎦⎢i *cc⎣ cβ⎥⎦Dan i = −( i * + i * + i * )cn* ca cb cc(14)3. Algoritma Kalkulasi Teori P QStrategi kontrol untuk mendapatkan arus referensikompensasi seperti tampak pada gambar 4 dari algoritmaperhitungan komponen p-q dibawah ini (1234 ) :v av bv ci ai bi cKalkulasiv vαKalkulasii αvβ0i βi 0Kalkulasipqp 0pp 0Filter~~q~FilterKalkulasii cα*i cβ*Gambar 4. Algoritma Kalkulasi Teori p qp~p 0Kalkulasii ca*i cb*i cc*i cn*p 0~ p0p 0p 04. Simulasi , Hasil Dan AnalisaPenelitian ini menggunakan tools Matlab Simulink,yang digunakan untuk membangun simulasi algoritmateori p-q diatas, adapun blok diagram simulasi tampakpada gambar 5 seperti dibawah ini :p~Gambar 3. Kompensasi-komponen Daya ~ p , q ~, p0dan p0~ p03

menunjukan arus yang besar sekali dan ini sangatmembahayakan, sehingga diperlukan usaha untukmeredamnya. . Usaha itu dengan mengkompensasi ataumenginjeksikan arus kompensasi kepada masing masingfasa untuk memperoleh bentuk keluaran arus pada sisibeban yang diharapkan sinusoidal murni. Sehingga arusnetral mempunyai nilai yang mendekati nol (40 mA).Gambar 5. Diagram Simulasi Dengan Matlab SimulinkGambar 8. Komponen Daya p dan qGambar 6. Tegangan Sumber Fasa R S TTegangan masukan masing masing fasaberbentuk sinusoidal murni dengan amplitude 220V bedafasa 120 0 .p , ~ p dan ~ p − pGambar 9. Komponen Daya00Gambar 7. Arus Beban fasa R S T yang terdistorsiSimulasi kuantitas arus fasa a b c yangterdistorsi dengan menambahkan gelombang harmonicdengan amplitude 10 V frekuensi 350 Hz untuk fasa a, 15V frekuensi 350 Hz untuk fasa b dan 5 V frekuensi 150Hz pada fasa c. Arus netral diperoleh denganmenjumlahkan Ia, Ib dan Ic . Hasil simulasi arus netral ini4

Gambar 10. Injeksi Arus Kompensasi fasa R S TGambar 11. Hasil Arus Sumber Yang DiharapkanSinusoidalDaftar Pustaka[1]. H. .4kagi. Y. Kanazawa. A. Xabae. “GeneralizedTheory of the Instantaneous Reactive Power in ThreephaseCircuits”, IfEC‘83 - Intr. Power E1ectror1ic.sConf.. Tokyo. Japan. 1983. pp. 1375-1386.[2]. H. Akagi. Y. Kanazawa. A. Nabae, “InstanataneousReactive Power Conipensator Comprising SwitchingDevices without Energy Storage Compenents”. IEEETrans industry. Applic.. vol. 20. MayiJune 1984.[3]. E. H. Watanabe, R. M. Stephan, M. Aredes. “NewConcepts of Instantaneous Active and Reactive Powersin Electrical Systems with Generic Loads”. IEEE Trans.Power Delivery). vol. 8, no. 2. .April 1993. pp. 697-703.[4]. M. Aredes, E. H. Watanabe, “New ControlAlgorithm for Series and Shunt Three-phase Four-WireActive Power Filters”. IEEE Trans. Power. Delvery:.vol 10. no. 3. July 1995. pp. 1619-1656.[5]. E. Clarke, Circuit Analysis of A-C Power Systems,Vol I – Symetrical and Related Componentes, JohnWiley and Sons, 1943.[6]. Fortescue. “Method of Syinetrical Co-ordinatesApplied to the Solution of Polyphase Networks”.A.1.E E. Truns., vol. 37. June 1918. pp. 1027-1 140.[7]. Joso Afonso. Carlos Couto. Julio Martins. “ActiveFilters with Control Based on the p-q Theory”. IEEEIndustrial Electronics SocieiJa Newsletter vol. 47. n”3. Sept. 2000.[8]. Afonso, H. R. Silva. J. S. Martins, “Active Filters fbrPower Quality Improvement”. IEEE Portugal 2001,Porto. portugal. 10-13 Sept. 2001.Gambar 12. Arus Beban Yang di harapkan5. KesimpulanPaper ini menjelaskan tentang perhitungan teorikomponen daya sesaat p-q yang digunakan untukmeminimalisasi pengaruh harmonisa pada system jalajalauntuk beban tidak seimbang. Harapnya pengaruhharmonisa dapat diredam atau dihilangkan sama sekalidengan sebuah tapis aktif sejajar yang didasarkan padateori p-q. Namun dengan adanya riset ini sedikit banyakdapat membantu mengurangi pengaruh harmonisa yangmerugikan pada power system ketika kondisi beban takseimbang menggunakan Injeksi atau kompensasi daribeberapa komponen daya ~ p , q ~, p0 dan p0memperlihatkan pengaruh pada kawat pada masingmasing saluran nampak mendekati smooth sinusoidalmaka rerugi daya dapat ditekan semaksimal mungkin danefisiensi akan lebih baik .5