Aplikasi Metode Gradien Daya Reaktif dalam Pemisahan Kontribusi Harmonisa Konsumen dan Utilitas pada Point of Common Coupling (PCC)

oleh : Royadi - 41407110004 

ABSTRAK

Gangguan harmonisa merupakan suatu fenomena di sistem daya AC. Pada mulanya penyebab harmonisa adalah ketika inti besi trafo dan mesin listrik mengalami kondisi saturasi, tetapi seiring berkembangnya teknologi modern yang ditandai dengan penggunaan komponen semikonduktor, masalah harmonisa juga semakin meningkat. Sumber harmonisa dapat berasal dari utilitas maupun konsumen, sehingga perlu dilakukan analisa pemisahan kontribusi harmonisa antara utilitas dan konsumen di PCC. Dari hasil analisa melalui grafik perubahan daya reaktif terhadap waktu (ΔQ/Δt) menunjukkan bahwa grafik cenderung naik selain itu dengan analisa ΔQ/Δt diperoleh angka 0,04 (ΔQ/Δt >0) sehingga dapat disimpulkan bahwa utilitaslah yang mempunyai kontribusi harmonisa terbesar di PCC.

Kata kunci: harmonisa, PCC

PENDAHULUAN

Gangguan harmonisa merupakan suatu fenomena di daya AC. Pada mulanya penyebab harmonisa adalah

ketika inti besi trafo dan mesin listrik mengalami kondisi saturasi [1]. Seiring dengan pertumbuhan teknologi modern yang ditandai dengan peningkatan penggunaan komponen semikonduktor, masalahmasalah harmonisa menjadi meningkat. Yang menjadi tantangan saat ini adalah bagaimana cara

membuktikan sumber harmonisa tersebut dan siapa yang bertanggung-jawab terhadap gangguan harmonisa tersebut

Beberapa metode telah ditemukan untuk mengidentifikasi sumber harmonisa, mulai dari The real power direction method [2,3, 4], metode berdasarkan Teorema Thevenin [5,6] dan Superposisi [7], critical

impedance method [6], serta gradient daya reaktif terhadap waktu (ΔQ/Δt) [8].

POINT OF COMMON COUPLING (PCC)

Menurut IEEE 519, PCC merupakan titik terdekat pada sisi utilitas dari pelayanan pelanggan dimana pelanggan utilitas dapat disuplai. Pengertian PCC secara praktikal yang benar adalah pada sisi primer trafo (tegangan menengah) yang melayani pelanggan, tanpa memperhatikan trafo pelanggan atau lokasi pengukuran (metering). Pada kenyataannya, tentu saja secara praktikal pengukuran dilakukan pada sisi sekunder trafo. Berikut ini adalah gambar dari PCC:

HARMONISA

Harmonisa merupakan suatu fenomena yang timbul akibat pengoperasian beban listrik non linier sehingga terbentuklah gelombang frekuensi tinggi yang merupakan kelipatan dari frekuensi fundamentalnya. Gelombang-gelombang frekwensi tinggi menumpang pada gelombang aslinya (fundamental frequency waveform) sehingga terbentuk gelombang cacat (distorted waveform) yang merupakan jumlah antara gelombang murni sesaat dengan gelombang harmoniknya.

Gambar 2. Gelombang sinusoidal dan terdistorsi [10]

  Gambar 3. Diagram vektor segitiga daya

Pada segitiga daya, ada 3 macam daya yaitu daya aktif (P), daya reaktif (Q) dan daya nyata (S). Daya aktif adalah daya listrik yang dapat diubah ke bentuk energi yang lain seperti cahaya dan lain-lain. Daya reaktif adalah daya yang diperlukan untuk pembentukan medan magnet dan daya nyata adalah resultan vektor daya aktif dan reaktif.Seperti halnya dengan segitiga daya, nilai RMS merupakan akar kuadrat dari penjumlahan fundamental (H1) kuadrat dan harmonisa (HN) kuadrat sehingga nlai RMS dapat dianalogikan sebagai daya nyata (apparent power) sedangkan fundamental (H1) dapat dianalogikan sebagai daya aktif dan harmonisa (HN) dapat dianalogikan sebagai daya reaktif karena sifat tidak berkontribusi pada pemakaian daya yang berdayaguna.

Apabila pada suatu sistem distribusi timbul harmonisa maka power factor sistem distribusi menjadi jelek (<0.85) sehingga daya reaktif menjadimeningkat. Daya reaktif ini memerlukan kompensasi terhadap     cos φ yang jelek tersebut berupa capasitor bank dan filter harmonik.

GRADIEN DAYA REAKTIF

Penggunaan nilai-nilai daya reaktif dalam metode gradien daya reaktif terlebih dahulu harus memperhatikan impedansi sumber harmonisa apakah induktif atau kapasitif. Metode gradien daya reaktif merupakan adaptasi dari persamaan keseimbangan energi, yaitu [8]:

E = Ein - Eout (1)

dengan:

E = Rate of change of total energy

Ein = Flow of energy into the system

Eout = Flow of energy out the system

Penerapan konsep keseimbangan energi pada daya

reaktif pada PCC, didapatkan [8]:

Q = Qin - Qout (2)

dengan :

Q = Rate of change of total reactive power

Qin = Flow of reactive power into the system

Qout = Flow of reactive power out the system

Persamaan 2 dapat dituliskan ulang sebagai berikut [8] :

ΔQ     Qin-Qout

______    =      ____________

Δt          Δt

Pada gambar 3 diasumsikan bahwa arah positif daya reaktif adalah dari utilitas ke konsumen.

Pada PCC, tingkat perubahan daya reaktif adalah [8]:

ΔQpcc     Qu pcc – Qc pcc

______            =   _______________________  

Δt               Δt

dimana :

Qu-pcc : Daya reaktif dari ulititas ke PCC

Qc-pcc : Daya reaktif dari konsumen ke PCC

Jika Qu-pcc > Qc-pcc maka ΔQpcc / Δt > 0 sehingga sumber utama harmonisa adalah utilitas sedangkan jika Qu-pcc < Qc-pcc maka ΔQpcc / Δt < 0 sehingga sumber utama harmonisa adalah konsumen.

Dari rumus tersebut maka untuk menghitung daya reaktif pada PCC digunakan rumus [8]:

Qpcc = Im ( Vpcc* I pcc )                          (5)

dimana :

Qpcc : Daya reaktif pada PCC

Vpcc : tegangan harmonisa yang diukur pada PCC

I pcc : arus harmonisa yang diukur pada PCC

Hipotesis untuk metode gradient daya reaktif dapat disederhanakan sebagai berikut:

·         Jika ΔQ/Δt > 0, utilitas sebagai sumber utama harmonisa

·         Jika ΔQ/Δt < 0, konsumen sebagai sumber utama harmonisa

PENGUMPULAN DATA

Penelitian dilakukan di PCC salah satu Gardu Induk yang menyuplai industri peleburan baja dimana

peralatan pabrik yang digunakan antara lain adalah electric arc furnace (EAF). EAF menghasilkan harmonisa yang cukup besar pada sistem distribusi.

Spesifikasi Trafo di sisi utilitas:

Tipe                              : Outdoor

Daya                            : 60.000 kVA

Tegangan Kerja            : 150 kV // 20 kV

Arus                             : 1,7 – 230,9 A

Hubungan                     : YNyn0

Impedansi                     : 12,8 %

Phasa                           : 3

Frekwensi                     : 50 Hz

Tipe Pendinginan           : ONAN/ONAF

Dengan melakukan pengukuran dan perekaman data di titik PCC (pada sekunder CT dan PT di panel

incoming 20 kV – sisi sekunder transformator) maka diperoleh data daya reaktif (Q), arus harmonisa dan tegangan harmonisa (Tabel 3). Setelah dilakukan pengukuran ternyata harmonisa ke 7 merupakan

harmonisa yang paling dominan, sehingga data arus harmonisa (Ih7) dan tegangan harmonisa ke 7 (Vh7) yang digunakan untuk analisa.

Tabel 3. Daya reaktif & rata-rata ITHD                                                                                                                

Waktu (t)	Daya Reaktif (Var)	Ih7 (A)	Vh7             (V)
15:15	309	84	62
15:20	342	84	74
15:24	267	60	54
15:27	258	60	56
15:31	336	84	72
15:34	264	60	52
15:42	303	72	56
15:47	405	84	68
15:52	315	60	48
15:55	327	72	64
16:00	405	84	66

 

Analisa Sumber Harmonisa Berdasarkan Grafik

Analisa sumber harmonisa dapat dilakukan dengan melihat daya reaktifnya. Hal ini dikarenakan jika

pada suatu sistem distribusi terdapat harmonisa maka harmonisa akan membuat PF (power factor) dan

DPF (displacement power factor) pada system tersebut menjadi lebih rendah dari 0,85. Pada analisa

dengan menggunakan metode gradien daya reaktif, sumber harmonisa terbesar pada PCC dapat diketahui dengan membuat grafik dengan mengmenggunakan data pada Tabel 3.

Hubungan antara Vh7, Ih7 dan Q  bahwa besarnya daya reaktif (Q) mengikuti besarnya arus dan tegangan harmonisa. Semakin besar arus dan atau tegangan harmonisa maka semakin besar pula daya reaktifnya,demikian sebaliknya. Hal ini membuktikan bahwa besarnya daya reaktif dapat digunakan untuk menganalisa sumber harmonisa.          

Hubungan daya reaktif terhadap waktu bahwa kecenderungan grafik daya reaktif terhadap waktu mengalami kenaikan. Berdasarkan konsep metode gradien daya reaktif disebutkan bahwa jika ΔQ/Δt>0 atau arah positif maka dapat disimpulkan bahwa sumber harmonisa terbesar adalah dari sisi utilitas.                                               

Dalam menganalisa sumber harmonisa, metode Gradient Daya Reaktif membutuhkan data lebih dari

satu kali pengukuran untuk mengetahui kecenderungan kenaikan atau penurunan daya reaktif dan

arus & tegangan harmonisa sehingga dibutuhkan alat ukur yang dapat merekam data pada suatu kurun

waktu tertentu.

Analisa Sumber Harmonisa Berdasarkan

Perhitungan

Selain menggunakan grafik, analisa metode gradient daya reaktif dapat juga dilakukan dengan menggunakan analisa perhitungan. Dengan menggunakan tabel 3, dicari nilai ΔQ/Δt apakah lebih besar dari nol atau kurang dari nol

ΔQ = Qakhir - Qawal                           

       = 405 – 309 = 96 Var

 Δt  = takhir - tawal

      = 16:00 – 15:15 = 2700 detik

ΔQ        9600

______  =         ____________

Δt         2700

      = 0,04 > 0   

Dari hasil perhitungan di atas terlihat bahwa ΔQ/Δt>0 maka berdasarkan konsep metode gradien

daya reaktif dapat disimpulkan bahwa sumber harmonisa terbesar adalah dari sisi utilitas.

Gambar 7. Simulasi dengan ETAP

Analisa Sumber Harmonisa Berdasarkan Aliran

Daya Reaktif

Berdasarkan data-data pengukuran dan spesifikasi transformator, maka dapat dibuat bentuk pemodelannya dengan menggunakan ETAP dapat dilihat pada Gambar 7 menunjukkan hasil run load flow dengan software ETAP. Pada bus 6 terlihat daya reaktif yang masuk ke PCC (bus 4) adalah sebesar 50109 kVar. Sedangkan total daya reaktif yang keluar dari PCC yang masuk ke beban-beban adalah sebesar 49675 kVar (17174+15180+16721). Berdasarkan konsep metode gradien daya reaktif disebutkan bahwa jika Qu-pcc > Qc-pcc dan ΔQpcc / Δt > 0 maka dapat disimpulkan bahwa sumber harmonisa terbesar adalah dari sisi utilitas

KESIMPULAN

Berdasarkan analisa sumber harmonisa berdasarkan grafik, perhitungan dan aliran daya reaktif, metode gradient daya reaktif menunjukkan bahwa sumber harmonisa terbesar adalah dari sisi utilitas. Karena sumber harmonisa terbesar dari utilitas maka pada sisi utiltas perlu dipasang filter harmonisa agar harmonisa tersebut tidak menyebar ke seluruh system distribusi.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Teshome, “Harmonic Source and Type Identification in a Radial Distribution System

(Presented Conference Paper style)”, presented at the IEEE 1991 Industry Applications Society annual Meeting, Dearboran, Michigan, September 28–October 4, 1991, Paper No. 32025.

[2] W. Xu, X. Liu and Y. Liu, “An Investigation on the validity of power-direction method for harmonic source detection”, IEEE Trans.

Power Delivery, vol. 18, pp. 214–218, January 2003.

[3] W. Xu and Y. Liu, “A method for determining customer and utility harmonic contributions at the point of common coupling”, IEEE Trans.

Power Delivery, vol. 15, pp. 804–811, Apr. 2000.

[4] M. Tsukamoto, I. Kouda, Y. Natsuda, Y. Minowa and S. Nishimura, “Advanced method to identify harmonics characteristic between utility grid and harmonic current sources”,

presented at the 8th Int. Conference on harmonic and quality of power, Oct. 14–16, 1998, pp. 419–425.