i

NASKAH PUBLIKASI

ANALISIS HARMONIK DAN PERANCANGAN HIGH PASS DAMPED

FILTER PADA SISTEM DISTRIBUSI STANDAR IEEE 13 BUS DENGAN

MENGGUNAKAN SOFTWARE ETAP POWER STATION 7.0

Diajukan oleh:

AGUS WIDODO

D 400 100 064

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2013

i

ii

1

ANALISIS HARMONIK DAN PERANCANGAN HIGH PASS DAMPED

FILTER PADA SISTEM DISTRIBUSI STANDAR IEEE 13 BUS DENGAN

MENGGUNAKAN SOFTWARE ETAP POWER STATION 7.0

Agus widodo

Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A. Yani tromol pos 1 pabelan kartasura surakarta

arjunawafiq@gmail.com

ABSTRAKSI

Harmonik merupakan suatu fenomena dalam sistem distribusi yang memiliki dampak merugikan

pada peralatan komponen sistem distribusi. Harmonik disebabkan oleh adanya pengoperasian

peralatan yang mengandung komponen elektronika atau elektroika daya dan peralatan yang

mempunyai kejenuhan inti besi seperti mesin-mesin listrik. Harmonik memiliki banyak kerugian,

salah satunya ialah penambahan panas berlebih terhadap kawat netral sebagai bentuk rugi-rugi

daya yang berubah menjadi panas. Oleh sebab itu, dengan adanya pemasangan high pass

damped filter diharapkan nilai THD akan turun dibawah nilai standarnya.

Dalam penelitian ini akan dilakukan analisis harmonik dan perancangan high pass damped

filter pada sistem distribusi standard IEEE 13 bus dengan menggunakan software ETAP Power

Station 7.0. Penelitian dimulai dengan membuat model sistem distribusi standard IEEE 13 bus

dengan menggunakan ETAP Power Station 7.0. Data-data sistem yang diperlukan kemudian

dimasukkan ke dalam model tersebut. Setelah modelnya lengkap kemudian dilakukan simulasi

aliran daya untuk mengetahui apakah model yang dibuat sudah sempurna atau belum.

Kemudian penambahan beban nonlinier UPS Rockwell 6P_1 VFD pada sistem tersebut. Setelah

adanya beban nonlinier nilai THDv naik dari 0% menjadi 6.56%, naik 1.56% dari nilai

standarnya 5% dan THDi naik dari 0% menjadi 20%. Pemasangan beban nonlinier juga

meningkatkan rugi-rugi daya dari 37.2 KW menjadi 95.1 KW. Setelah itu merancang high pass

damped filter dan memasukan parameter filter pada ETAP Power Station 7.0 untuk simulasi.

Hasil simulasi harmonik setelah penambahan high pass damped filter diamati dan data-datanya

kemudian dianalisis.

Hasil simulasi menunjukkan bahwa dengan adanya pemasangan high pass damped filter nilai

THD menjadi turun dari 6.56% menjadi 3.34% dibawah nilai standarnya serta THDi turun dari

20% menjadi 9.71%, THDv turun 3.22% dari nilai THD sebelum pemasangan high pass damped

filter. Dengan adanya pemasangan filter rugi-rugi daya menurun dari 95.1 KW menjadi

86.4KW. Besarnya nilai THD di tentukan dari jenis beban nonlinier dan kapasitas daya beban

nonlinier.

Kata Kunci: harmonik, filter pasif, high pass damped filter

1. Pendahuluan

Energi listrik menjadi kebutuhan pokok

dalam kehidupan manusia saat ini. Energi

Listrik dibangkitkan pada sistem pembangkit

disalurkan ke konsumen melalui sistem

transmisi dan sistem distribusi. Dalam sistem

tenaga listrik gangguan sering terjadi pada

sistem distribusi yang menjadi ujung tombak

pemikulan beban pada konsumen. Gangguan-

gangguan tersebut akan berdampak buruk pada

kualitas daya listrik yang disalurkan ke beban.

Seiring perkembangan teknologi, saat ini

banyak bermunculan beban-beban baru yang

menimbulkan kerugian pada sistem distribusi.

Penambahan beban-beban non linier pada

sistem tenaga listrik akan berdampak buruknya

kualitas daya terutama pada sistem distribusi.

Sistem tenaga listrik mengenal dua macam

2

beban yaitu beban linier dan beban non linier.

Beban linier ialah beban yang memberikan

bentuk gelombang keluaran yang linier, yaitu

arus yang mengalir sebanding dengan

impedansi dan perubahan tegangan.

Sedangkan beban non linier ialah beban yang

bentuk gelombang keluaranya tidak sebanding

dengan tegangan dalam setiap setengah siklus

sehingga bentuk gelombang arus listrik

maupun tegangannya tidak sama dengan

bentuk gelombang masukannya. Beban-beban

non linier hampir sebagian besar ditemukan

pada peralatan-peralatan yang menggunakan

komponen semikonduktor sebagai pusat

operasinya. Seperti dioda, bipolar junction

transistor (BJT), silicon controlled rectifier

(SCR), junction field efect transistor (JFET),

metal oxid field efect transistor (MOSFET),

insulated gate bipolar junctioan transistor

(IGBT), dan lainya. Saat ini hampir seluruhnya

beban listrik menggunakan komponen

elektronika yang menyebabkan cacat pada

gelombang masukanya.

Beban non linier inilah yang akan

menimbulkan harmonik. Sistem tenaga listrik

dirancang untuk bekerja pada frekuensi dasar

50 atau 60Hz. Beban non linier menyebabkan

munculnya gelombang arus dan tegangan yang

frekuensinya merupakan kelipatan dari

frekuensi dasarnya, dan bertambah setiap orde

ganjil. Gelombang tersebut akan menumpang

pada gelombang masukan, sehingga bentuk

gelombang masukan tidak lagi berbentuk sinus

murni atau mengalami distorsi. Fenomena ini

disebut dengan harmonik. Harmonik

membawa banyak kerugian pada peralatan-

peralatan sistem tenaga listrik mulai dari

penurunan kinerja sampai terjadi kerusakan

pada peralatan bahkan pada level tertentu bisa

menyebabkan terjadinya kegagalan isolasi.

Dampak akibat distorsi harmonik lainya

bisa menyebabkan kenaikan arus pada

penghantar netral sehingga mengakibatkan

kenaikan rugi-rugi daya (Carpinelli, 2004).

Harmonik dapat menyebabkan penurunan

kinerja alat ukur berupa terganggunya relay

proteksi, kesalahan alat ukur membaca besaran

rms yang memungkinkan terjadinya gagal trip,

kegagalan kapasitor tenaga, pemanasan lebih

pada transformator dan penghantar netral

(Grady and Santosa, 2001).

Banyak sekali kerugian yang ditimbulkan

akibat adanya distorsi harmonik, untuk

mengatasi hal tersebut maka perlu dipasang

filter harmonik untuk mengurangi dan

menekan semaksimal mungkin distorsi

harmonik tersebut. Tujuan pemasangan filter

harmonik ialah untuk mereduksi amplitudo

gelombang pada frekuensi tertentu dari

tegangan dan arus. Ada dua macam filter yaitu

filter aktif dan filter pasif, filter pasif terdiri

dari gabungan komponen induktor dan

komponen kapasitor yang bertujuan

menghasilkan resonansi untuk meredam arus

harmonisa yang tinggi. Sedangkan filter aktif

menggunakan teknologi elektronika daya

untuk menghasilkan arus spesifik yang

bertujuan untuk menggagalkan arus harmonisa

yang dihasilkan oleh beban non linier.

Salah satu filter pasif untuk meredam arus

harmonisa ialah high pass damped filter, ialah

filter yang digunakan untuk membuat

impedansi yang rendah untuk spektrum

frekuensi harmonisa yang lebar. Filter ini

terdiri dari sebuah komponen kapasitor,

sebuah komponen induktor, dan sebuah

komponen resistor. High pass damped filter

memiliki nilai Quality factor yang rendah, hal

ini bertujuan supaya filter memiliki impedansi

yang rendah pada jangkauan frekuensi yang

lebar.

2. Metode Penelitian

2.1 Jadwal Penelitian

Penelitian dengan judul analisis harmonik

dan perancangan high pass damped filter pada

sistem distribusi standar IEEE 13 bus dengan

menggunakan software ETAP power station

7.0 dapat diselesaikan dalam waktu 4 bulan

yaitu mulai dari studi literatur, pembuatan

proposal sampai analisa data dan pembuatan

laporan.

2.2 Tahap Studi Literatur

Studi literatur adalah sebuah kajian penulis

yang berisi tentang referensi-referensi

berkaitan dengan penelitian ini berupa buku,

skripsi, jurnal publikasi, tesis dan karya-karya

ilmiah lainya. Dalam tahap ini penulis

mengkaji karya-karya ilmiah yang

2

3

berhubungan dengan analisis harmonik dan

perancangan high pass damped filter.

2.3 Pengumpulan Data

Data single line diagram sistem distribusi

standar IEEE 13 bus yang berupa data beban,

data saluran, data kapasitor, dan data beban

nonlinier yang digunakan sebagai penyebab

harmonik diperoleh dari dosen pembimbing.

2.4 Tahap Pengolahan Data

Analisis dan perancangan filter akan

disimulasikan menggunakan software ETAP

Power Station 7.0 terhadap data yang sudah

ada. Langkah-langkah yang akan dilakukan

sebagai berikut : a) Menentukan tegangan fundamental

sistem distribusi.

b) Melakukan analisis aliran daya untuk

mengamati nilai dan arah aliran daya

pada sistem distribusi.

c) Melakukan analisis harmonik dengan

menambahkan beban nonlinier pada

salah satu bus pada sistem distribusi.

d) Merancang high pass damped filter.

e) Memasang high pass damped filter

pada sistem distribusi dan menganalisis

hasil simulasinya.

f) Membuat kesimpulan.

2.5 Alat dan Bahan

a. Hardware dan Software

Perlengkapan pendukung yang dipakai

dalam penelitian ini adalah perangkat keras

komputer yang digunakan untuk menjalankan

software ETAP Power Station 7.0 dengan

memory 236 MB, 1024 MB RAM, processor

Intel (R) Atom (TM) CPU N2600 1,60 GHz .

Software ETAP Power Station 7.0 ini

digunakan untuk analisis harmonik maupun

analisis aliran beban pada sistem distribusi.

b. Gambaran sistem distribusi standar IEEE 13

bus.

Penelitian ini menggunakan sistem

distribusi standar IEEE 13 bus dengan

terpasang 2 kapasitor pada bus 611, dan bus

675 seperti ditunjukkan pada gambar 1 .

Sistem distribusi standar IEEE 13 bus

termasuk sistem asimetris, yaitu sistem

distribusi yang pada tiap-tiap bus memiliki

konfigurasi fasa yang berbeda. Ada yang

menggunakan sistem 3 fasa 3 kabel, sistem 3

fasa 4 kabel, sistem 1 fasa 2 kabel dan sistem 2

fasa 3 kabel.

Gambar 1 menunjukkan sistem distribusi

standar IEEE 13 bus. 10 bus terletak pada

sistem distribusi 4,16 kV dan 2 bus (611 dan

652) terletak pada sisi tegangan 2,4 kV, dan 1

bus (634) pada tegangan 0,48 KV dari trafo

gardu induk yang disuplai dari bus 633. Sistem

distribusi ini bertipe radial dengan 2 penyulang

utama.

Gambar 1. Diagram garis tunggal sistem

distribusi standar IEEE 13 bus.

2.6 Flowchart penelitian

4

3. Hasil dan Pembahasan

a. Simulasi Analisis Aliran Beban

Simulasi aliran beban pada sistem distribusi

standar IEEE 13 bus dilakukan saat sistem

dalam kondisi normal, sehingga dapat

mengetahui nilai tegangan, arus, dan arah

aliran daya yang mengalir pada sistem

distribusi standar IEEE 13 bus. Hal itu

dilakukan untuk membandingkan perbedaan

yang terjadi saat sistem distribusi tanpa beban

nonlinier dengan dibebani beban nonlinier,

atau saat tanpa filter harmonik dengan

terpasang high pass damped filter seperti

terlihat pada gambar 2.0

b. Simulasi Analisis Harmonik Tanpa

Beban Nonlinier

Simulasi analisis harmonik ini diawali pada

saat sistem distribusi standar IEEE 13 bus

tanpa beban nonlinier. Hal ini bertujuan untuk

mengetahui bentuk gelombang sinusoidal saat

sistem belum terdistorsi harmonik, sehingga

dapat diketahui perbandingan bentuk

gelombangnya saat tanpa beban nonlinier

dengan saat penambahan beban nonlinier

seperti terlihat pada gambar 3.0.

Gambar 2. Diagram satu garis load flow analysis

Gambar 3. Diagram satu garis harmonic analysis tanpa beban nonlinier

4

5

Gambar 4 Tabel nilai distorsi harmonik tegangan dan arus pada sistem distribusi tanpa

beban nonlinier.

Gambar 5. Tabel nilai rugi-rugi sebelum adanya beban nonlinier

Spektrum harmonik :

Bentuk gelombang sinusoidal :

Gambar 6. Spektrum harmonik dan bentuk gelombang sinusoidal

6

Dari hasil simulasi analisis harmonik

tanpa beban nonlinier pada sistem distribusi

standar IEEE 13 bus dapat diketahui bahwa

hampir tidak terkandung distorsi harmonik

seperti terlihat pada gambar 4, kalaupun ada

nilai THD yang keluar itu di sebabkan karena

kejenuhan inti besi pada peralatan distribusi

yang menggunakan mesin-mesin listrik seperti

transformator, generator dan motor listrik.

Pada sistem distribusi tersebut bentuk

gelombang sinusoidal tidak mengalami cacat

gelombang atau masih berupa gelombang

sinusoidal murni seperti terlihat pada gambar 6

. Sistem distribusi standar IEEE 13 bus

tersebut hanya terdapat beban linier saja,

sehingga bentuk gelombang arusnya tetap

sinusoidal dan hanya terjadi pergeseran sudut

fasa pada beban yang bersifat induktif.

Sehingga total rugi-rugi daya nyata pada

sistem distribusi sebesar 37.2 kW seperti

ditunjukan pada gambar 5.

c. Simulasi Analisis Harmonik dengan

Adanya Beban Nonlinier

Simulasi analisis harmonik dilanjutkan

dengan menambahkan beban nonlinier pada

sistem distribusi standar IEEE 13 bus sebagai

penyebab timbulnya sumber arus harmonik.

Beban nonlinier ini dipasang pada salah satu

bus pada sistem distribusi tersebut. Simulasi

analisis harmonik dengan penambahan beban

nonlinier ini bertujuan untuk mengetahui

distorsi harmonik yang terkandung dan

pengaruh dari pemasangan beban nonlinier

terhadap kestabilan dan bentuk gelombang

dari tegangan dan arus pada sistem distribusi

standar IEEE 13 bus tersebut.

Gambar 7. Diagram satu garis harmonic analysis dengan adanya beban nonlinier

6

7

Gambar 8. Tabel nilai distorsi harmonik tegangan dan arus pada sistem distribusi dengan

adanya beban nonlinier

Gambar 9. Tabel nilai rugi-rugi setelah adanya beban nonlinier

Spektrum Harmonik

Bentuk gelombang sinusoidal :

Gambar 10. Spektrum harmonik dan bentuk gelombang sinusoidal

8

Pemasangan beban nonlinier

UPS_2_Rockwell 6P VFD pada bus 675, telah

menyebabkan nilai distorsi harmonik melebihi

di atas standard. Sebelum pemasangan beban

nonlinier, nilai dan adalah 0 %

seperti ditunjukan pada gambar 4 . Sesudah

pemasangan beban nonlinier nilai Pada

bus 675 mengalami kenaikan dari 0% menjadi

6.59 % serta nilai naik dari 0% menjadi

20 %, bus 671 nilai mengalami

kenaikan dari 0% menjadi 5.91 % sedangkan

nilai naik dari 0% menjadi 10.11 %, dan

bus 692 nilai mengalami kenaikan dari

0% menjadi 5.91 % sedangkan nilai naik

dari 0% menjadi 20% seperti ditunjukan pada

gambar 8 . Ketiga bus tersebut memiliki nilai

harmonik yang cukup tinggi dibandingkan

dengan bus yang lainnya, hal ini disebabkan

ketiga bus tersebut dekat dengan sumber

harmonik.

d. Perancangan high pass damped Filter

Perancangan high pass damped filter

bertujuan untuk meredam harmonisa yang

timbul akibat adanya beban nonlinier, selain

itu filter ini juga bisa digunakan untuk

memperbaiki faktor daya karena adanya

komponen kapasitor. Pada perancangan high

pass damped filter diperlukan proses

identifikasi terhadap orde harmonik yang akan

dieliminasi. Nilai harmonik tegangan terbesar

digunakan untuk menentukan harmonik dari

orde berapa yang akan difilter.

Setelah menentukan orde harmonik yang

akan dieliminasi, langkah selanjutnya

menentukan nilai daya reaktif yang dibutuhkan

untuk memperbaiki faktor daya, menentukan

nilai kapasitansi kapasitor, menentukan nilai

reaktor filter, dan menentukan nilai resistor.

Perhitungan nilai komponen high pass

damped filter pada orde 5 adalah sebagai

berikut :

Perhitungan pada Bus 675.

Orde5

Daya reaktif untuk memperbaiki faktor daya :

P = 1176 kW

= Arc cos 0.84

=

= Arc cos 0.98

=

= P ( - )

= 1176 kW (tan - tan )

= 517.44 kVAr

Kapasitor :

=

=

=

= 33.44 Ω

=

=

C =

C =

C = F

Induktor :

Orde yang akan diredam adalah orde 5,

sehingga dipilih frekuensi tuning sebesar 300

Hz tetapi diberi toleransi sebesar 1% sehingga

menjadi 297 Hz yang bertujuan untuk

memperoleh performa filter yang maksimal.

L =

L =

L =

L = 0.0037 H

= 2πfL

=(2)(3.14)(60)(0.04)

= 1.39 Ω

Resistor :

Faktor kualitas filter (Q) jenis high pass

damped filter mempunyai nilai yang rendah,

maka dipilih Q = 20

Q =

R = Q .

= (20)(1.39)

= 27.8 Ω

8

9

e. Simulasi Analisis Harmonik dengan

Adanya Beban Nonlinier dan

Pemasangan high pass damped Filter

Pemasangan high pass damped filter

bertujuan untuk mengurangi distorsi harmonik

pada sistem distribusi yang disebabkan adanya

beban nonlinier yang merupakan sumber

harmonik.

High pass damped filter dipasang pada bus

yang dekat dengan sumber harmonik atau bus

yang mempunyai nilai distorsi harmonik

paling tinggi, hal ini diharapkan agar

mampu meredam harmonik yang timbul,

sehingga nilai distorsi harmonik berada pada

standardnya seperti terlihat pada gambar 12.0

yang menunjukan bahwa nilai distorsi

harmonik telah di bawah nilai standarnya.

Gambar 11. Tabel nilai komponen penyusun high pass damped filter

Gambar 12. Diagram satu garis harmonic analysis dengan adanya beban nonlinier dan

pemasangan high pass damped filter

9

10

Gambar 13. Tabel nilai rugi-rugi setelah adanya beban nonlinier dan pemasangan high

pass damped filter

Gambar 14. Tabel nilai distorsi harmonik tegangan dan arus pada sistem distribusi dengan

adanya beban nonlinier dan pemasangan high pass damped filter

Spektrum Harmonik

Bentuk gelombang sinusoidal :

Gambar 15. Spektrum harmonik dan bentuk gelombang sinusoidal pada sistem distribusi

standar IEEE 13 bus dengan adanya beban nonlinier dan pemasangan high pass damped filter

10

11

Setelah pemasangan high pass damped

filter pada sistem distribusi diketahui bahwa

nilai distorsi harmonik mengalami penurunan

dan sudah memenuhi standar. Pada bus 675

nilai mengalami penurunan dari 6.56%

menjadi 3.34 % sedangkan nilai turun

dari 20% menjadi 9.71 %, bus 671 nilai

mengalami penurunan dari 5.91 menjadi 3.02

% sedangkan nilai turun dari 10.11

menjadi 4.84 %, dan bus 692 nilai

mengalami penurunan dari 5.91% menjadi

3.02 % sedangkan nilai turun dari 20%

menjadi 9.71 % seperti terlihat pada gambar

14 .

Orde 5 dipilih sebagai frekuensi yang

difilter sehingga nilai harmonik tegangannya

mengalami penurunan. Bentuk spektrum

gelombang sinusoidalnya juga menjadi lebih

halus dibandingkan sebelum difilter.

Setelah dilakukan pemasangan high pass

damped filter dengan adanya beban nonlinier

pada sistem distribusi maka rugi-rugi daya

nyata mengalami penurunan dari 95.1 kW

menjadi 86.4 kW seperti terlihat pada gambar

13.

4. Kesimpulan

Berdasarkan hasil analisis harmonik dan

perancangan high pass damped filter pada

sistem distribusi standar IEEE 13 bus dengan

menggunakan software ETAP Power Station

7.0 dapat disimpulan bahwa :

a. Pemasangan beban nonlinier UPS Rockwell

6P_1 VFD pada sistem distribusi standar

IEEE 13 bus menyebabkan nilai distorsi

harmonik mengalami kenaikan dari 0%

menjadi 6.56% dan meningkatnya rugi-rugi

daya dari 37.2 KW menjadi 95.1KW. Bus

yang dekat dengan sumber harmonik (bus

671 dan bus 692) atau bus yang terbebani

dengan beban nonlinier (bus 675)

mempunyai nilai distorsi harmonik yang

paling tinggi diantara bus yang lain seperti

bus 675 memiliki THDv 6.56% serta THDi

20%, bus 671 memiliki THDv 5.91% serta

THDi 10.11%, dan bus 692 memiliki THDv

5.91% serta THDi 20% .

b. High pass damped filter yang dipasang

pada bus 675 untuk meredam harmonik

orde 5 yang merupakan orde harmonik

yang paling tinggi, sehingga terjadi

penurunan nilai distorsi harmonik yang

memenuhi batas standarnya seperti pada

bus 675 THDv turun dari 6.56% menjadi

3.34% serta THDi turun dari 20% menjadi

9.71%, bus 671 THDv turun dari 5.91%

menjadi 3.02% serta THDi turun dari

10.11% menjadi 4.84%, bus 692 THDv

turun dari 5.91% menjadi 3.02% serta

THDi turun dari 20% menjadi 9.71% dan

mengurangi rugi-rugi daya dari 95.1 KW

menjadi 86.4 KW.

c. Filter pasif jenis high pass damped filter

memiliki Quality factor yang rendah

sehingga baik untuk meredam orde

harmonik yang tinggi sekaligus dapat

meredam juga orde rendah seperti orde 5

dan orde 7.

d. Pemasangan high pass damped filter pada

sistem distribusi standar IEEE 13 bus

setelah adanya beban nonlinier menjadikan

bentuk gelombang yang cacat karena

distorsi harmonik menjadi lebih halus dan

hampir menyerupai sinus murni, serta

spektrum harmonik yang tinggi menjadi

turun dibawah nilai standar THD tegangan

dan arus.

DAFTAR PUSTAKA

Dugan, Roger.C and McGranaghan, Mark F.

2003. Electrical Power Systems

Quality. New York : McGraw-Hill.

Jaelani, Mukhsin Akhsin. 2008, Analisis

Distorsi Harmonik pada Sistem

Distribusi dan Reduksinya

Menggunakan Tapis Harmonik dengan

Bantuan ETAP Power Station 4.0,

Fakultas Teknik, Jurusan Teknik

Elektro, Universitas Muhammadiyah

Surakarta.

Pujiantara, Margo. 2003. Penyempurnaan

Desain Filter Harmonisa

menggunakan kapasitor Eksisting pada

Pabrik Soda kaustik Serang –Baten,

JAVA Journal of Electrical and

Electronics Engineering, Vol. 1, No. 2,

Oct 2003, ISSN 1412-8306.

Sopyandi, Endi. 2009. Perancangan Single

Tuned Filter Untuk Mereduksi

Harmonik Arus Dengan Simulasi

12

Program ETAP Power Station 5.0.3,

Fakultas Teknik Jurusan Elektro,

Universitas Indonesia.

William D. Stevenson. Jr, Kamal Idris. 1994.

Analisis Sistem Tenaga Listrik, Edisi

Keempat. Jakarta: Erlangga.

Zuhal. 1995. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan

Elektronika Daya. Jakarta: PT

Gramedia Pustaka Utama.

12