## Simulasi Pengendali Filter Aktif Sebagai Upaya Memperbaiki Kualitas Daya Listrik Di Laboratorium Teknik Listrik Politeknik Negeri Pontianak

## Irawan Suharto
Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Pontianak e-mail : Suharto_irawan@yahoo.co.id
Abstract – Non linier loads are widely used in Electrical Engineering  Laboratories  of  State  Polytechnic  of Pontianak. The measurement using Power Quality meter produces  the  voltage  harmonic  level  which  meets  the Standard  of  IEEE  519 - 1992,  that  is,  less  than  5  %. However,  the  current  harmonic  level  measured  are varies for each phase where the lowest harmonic level is 6.01%  and  the  highest  one  is  59  %.  These  do  not  meet the  harmonic  standard  of  IEEE  519-1992.  In  order  to solve  the  problem,  it  has  been  conducted  a  simulation using shunt active filter based on the theory proposed by Akagi.  The  result  of  simulation  conducted  to  the  loads shows a decrease of harmonic current level of 2.24% in phase  R,  1.66%  in  the  S  phase  and  1.91%  in  phase  T. The current's THD occurred from the simulation results has met the standard of IEEE 519-1992.
Keywords – Non linier, Harmonic, active filter, THD

## 1. Pendahuluan
Dengan Penggunaan peralatan atau beban elektronik dalam  jumlah besar selama dua dekade terakhir ini telah menimbulkan  masalah  serius  yang  sebelumnya  tidak diperkirakan  oleh    ahli  kelistrikan.  Sebagian  besar peralatan atau beban listrik tersebut menarik arus dalam bentuk  non  sinusoidal,  walaupun  sumber  tegangan supply berbentuk  sinusoidal.  Peralatan  atau  beban  yang memiliki  sifat  ini  disebut  sebagai  beban nonlinier. Penggunaan  beban nonlinier akan  menginjeksikan  arus atau  tegangan  frekuensi  tinggi  ke  jala-jala  yang menyebabkan terjadinya harmonisa.
Harmonisa  adalah  gejala  pembentukan  gelombang- gelombang  sinus  dengan  frekuensi  kelipatan  ( integer) dari  frekuensi  sumber,  gelombang  sinus  ini  apabila digabung  dengan  frekuensi  sumber  akan  menghasilkan gelombang yang terdistorsi ( non sinus ) [2].
Sumber  harmonisa  di  dalam  sistem  tenaga listrik dibagi menjadi dua bagian yaitu sumber harmonisa yang berasal dari beban komersial dan  beban industri, yaitu : [8]
a. Sumber  harmonisa  yang  berasal  dari  beban komersial.
Sumber  harmonisa  yang  berasal  dari  beban komersial ini adalah power  supply satu fasa, lampu fluorescent, pengatur kecepatan pada mesin pendingin  dan  elevator  (adjustable  speed  drives  for HVAC and elevator).
b. Sumber harmonisa yang berasal dari beban industri Sumber harmonisa yang berasal dari  beban  industri ini  adalah  konverter  tiga fasa,  peralatan    tungku
(arching device) dan  perangkat   saturasi (saturation device ).
Tegangan  dan  arus    harmonisa    di  dalam    sistem tenaga  berdampak  pada [2,8]:
a. Meningkatnya resonansi sistem penyaluran ketenagalistrikan.
b. Menurunnya  efisiensi  penyaluran  ketenagalistrikan serta utilitasnya.
c. Mengurangi  umur  isolasi  dan  peralatan  penyaluran ketenagalistrikan.
d. Terjadinya Interferensi pada sistem pemancar akibat harmonisa urutan nol.
e. Kesalahan pengukuran pada alat ukur piringan putar. Pembahasan  harmonisa didasarkan  pada  IEEE  519- 1992  “ Recommended  Practices  and  Requirements  for Harmonic  Control  in  Electrical  Power  Systems ”. Berdasarkan standart tersebut  terdapat dua kriteria yang digunakan untuk mengevaluasi distorsi harmonisa, yaitu batasan  untuk  harmonisa  tegangan,  dan  batasan  untuk harmonisa  arus.  Untuk standard harmonisa  arus, ditentukan  oleh  rasio  I sc /I F .  I sc adalah  arus  hubung singkat  yang  ada  pada  PCC  (Point  of  Common Coupling), sedangkan I F adalah arus beban fundamental. Sedangkan untuk standar harmonisa tegangan ditentukan oleh tegangan sistem yang dipakai [5].
Solusi untuk memperkecil harmonisa dapat dilakukan  dengan  pemasangan  filter  harmonisa.  Filter harmonisa  dapat  dibagi  menjadi  filter  pasif  dan  filter aktif.  Penggunaan  filter  pasif  untuk  mengatasi permasalahan  harmonisa  memiliki  kelemahan  yaitu hanya  dapat  digunakan  untuk  memfilter  satu  frekuensi harmonisa (single tune) [3]. Filter aktif merupakan suatu teknologi yang mengadopsi topologi konverter modulasi lebar  pulsa  yang  difungsikan  sebagai sumber  arus  atau tegangan  terkendali.  Dengan  filter  aktif  ini  komponen harmonisa  pada  sistem  akan  direduksi  melalui  injeksi komponen  harmonisa  dengan  fasa  berlawanan  dan amplitudo yang sama [10].
Permasalahan  yang  akan  di  bahas  dalam  penelitian ini adalah mensimulasikan filter aktif shunt dalam upaya memberikan  masukan  perbaikan  kualitas  daya  di Laboratorium Teknik Listrik Politeknik Negeri
Pontianak.
Sedangkan ruang lingkup penelitian ini meliputi teori p – q sebagai metode pengatur filter aktif shunt.
Perancangan simulasi menggunakan software matlab.
2. Teori  Daya  Sesaat  ( Instantaneous  Power  Theory / p - q Theory)[1,4]
Teori  p - q    adalah  perhitungan  daya  sesaat berdasarkan  domain  waktu  yang  dipublikasikan  oleh Hirofumi  Akagi  tahun  1982.  Teori  p – q ini menggunakan  transformasi  αβ0,  yang  dikenal  dengan transformasi  Clarke.  Pada  sistem  tiga  fasa  transformasi Clarke  untuk tegangan adalah :
= ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ √ √ √ 0 0 √ √ ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ (1) dimana v 0 = tegangan fasa nol ( Volt ) vα = tegangan sumbu α / tegangan real( Volt ) vβ = tegangan sumbu β / tegangan imaginer ( Volt ) va = tegangan jala-jala fasa a ( Volt ) vb = tegangan jala-jala fasa b ( Volt ) vc = tegangan jala-jala fasa c ( Volt )
Sedangkan transformasi Clarke untuk arus adalah :
= ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ √ √ √
0
0 √ √ ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ (2)
dimana, i 0 = arus fasa nol ( Ampere ) iα = arus sumbu α / arus real ( Ampere ) iβ = arus sumbu β / arus imaginer ( Ampere ) ia = arus jala-jala fasa a ( Ampere ) ib = arus jala-jala fasa b ( Ampere ) i c = arus jala-jala fasa c ( Ampere ) sehingga persamaan daya adalah sebagai berikut :
= 0 0 0 0 −
(3)
Daya nyata (p), daya reaktif (q) dan daya urutan nol (p 0 ) pada  persamaan    (3)  terdiri  dari  dua  komponen,  yaitu daya  rata-rata  ( average  power ) dan  daya  yang berosilasi ( oscillating power ).
Daya nyata : p = ̅ + (4) Daya reaktif : q = + (5) Daya urutan nol : p 0 =
+
(6)
Daya nyata rata-rata dan daya reaktif rata-rata adalah daya yang terjadi pada frekuensi fundamental sedangkan daya  yang berosilasi adalah daya  yang diakibatkan oleh harmonisa dan ketidakseimbangan beban. Sehingga jika bagian  yang  berosilasi  dipisahkan  oleh  filter  maka diperoleh bagian daya rata-rata.
Arus  kompensasi  yang akan  di  kirim  atau  di  terima ke  sistem  tenaga  merupakan  daya  yang  berosilasi, sehingga arus referensi untuk proses switching konverter daya adalah :
= 0 0
0 0
− −
(7)
Dengan  menstransformasi  balik  ke  sumbu  123  dari sumbu 0αβ maka diperoleh arus referensi untuk masing - masing fasa, yaitu :
= ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ √ 0 0 √ √ √ √ ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ (8) dimana, i cα = arus referensi pada sumbu alfa ( Ampere ) i cβ = arus referensi pada sumbu beta ( Ampere ) i 0 = arus referensi pada sumbu 0 ( Ampere ).

## 3. Hasil Simulasi
Pengukuran  menggunakan Power  Quality  Meter Merek  Fluk  seri  43B,  dengan  data  hasil  pengukuran untuk fasa R,S dan T dapat dilihat pada tabel 1, tabel 2 dan tabel 3.
Tabel 1. Data hasil pengukuran fasa R
Tabel 2. Data hasil pengukuran fasa S
Tabel 3. Data hasil pengukuran fasa S
Implementasi teori daya sesaat program Matlab dengan menggunakan fasilitas simulink adalah sebagai :
Gambar1. Implementasi filter aktif shunt dengan menggunakan fasilitas simulink pada Matlab.
Untuk  memperoleh  hasil  simulasi  yang  optimal,maka perlu ditentukan  nilai dari induktor,  frekuensi switching dan tegangan  dc  dari  sistem.    Agar  konverter PWM dapat  mengkompensasi  harmonisa  maka  frekuensi switching > 10 x f harmonisa (maks) [4]. Dari hasil pengukuran frekuensi  harmonisa  tertinggi  ada  pada  frekuensi  1150 Hz,  maka  dipilih frekuensi  12  KHz.  Sedangkan ripple yang  terjadi  ditentukan  sebesar  2  A  dan  tegangan referensi adalah sebesar 1000 Volt. Nilai induktor dapat di hitung berdasarkan persamaan berikut[9] , yaitu :
= . (9)

## Sehingga diperoleh
= 1000

## 6 12000 2
= 0,00694 Hendry.
Sedangkan  nilai  kapasitor  di  peroleh  dari  persamaan berikut [7], yaitu :
= ,
(10)
Dimana :
S = Daya Semu Tiga Fasa  ( VA ) V ref = Tegangan DC Referensi ( Volt ).
dengan  besar  daya  total  yaitu  18400  VA  dan  tegangan referensi  1000 Volt maka nilai kapasitor adalah :

## C = 0,0345 x 18400

## 1000
= 0,000635 Farad
= 635 µF
Dipilih Nilai kapasitor C1= C2= C= 650 µF.
Berdasarkan  IEEE  519  tahun  1992  harmonisa  tegangan sudah memenuhi ketentuan  yaitu < 5 %.
Untuk  Harmonisa  arus  di  tentukan  oleh  perbandingan ISC / I F pada titik PCC. I SC adalah  arus hubung singkat pada titik PCC (Point of  Common  Coupling),  I F adalah  arus  beban  maksimal pada frekuensi fundamental.
I SC yang  terjadi  pada  titik  PCC  dapat  dihitung berdasarkan persamaan berikut [6] :

## = % √3
Dimana  kapasitas  transformator  sebesar  400  KVA  , tegangan  sekunder  400  Volt  dan  impedansi hubung singkat sebesar 4%.

## =
400

## 0,04 √3 0,4

## =   14.434  Ampere
Perbandingan antara I SC / I F untuk masing-masing beban dapat dilihat pada tabel 4.
Tabel 4. Batas harmonisa arus yang diizinkan berdasarkan IEEE 519 tahun 1992.
Perbandingan  gelombang  arus  hasil  pengukuran  dan simulasi sebelum pemasangan filter seperti terlihat pada gambar 2.
Gambar 2. Bentuk gelombang sebelum   pemasangan filter.
Dari  gambar  2  terlihat  bahwa  bentuk  gelombang  arus hasil  simulasi  sebelum  pemasangan  filter  aktif shunt sudah  mendekati  gelombang  arus  hasil  pengukuran sedangkan  nilai THD  hasil  pengukuran  dan  hasil simulasi dapat dilihat pada tabel 5.
Tabel 5. Perbandingan THD hasil pengukuran dan simulasi
Fasa Hasil Pengukuran ( % ) Hasil  Simulasi ( % ) R ( 24,7 - 25,5 ) 25,53 S ( 5,7 - 6,2 ) 6,02 T ( 10,3 - 12,7 ) 11,38
Setelah dilakukan  simulasi dengan pemasangan filter aktif shunt terjadi perbaikan gelombang arus dan terjadi penurunan  tingkat  THD arus    seperti  terlihat  pada gambar 3.
Gambar  3.  Bentuk  gelombang  arus    sebelum  dan  setelah pemasangan filter.
Sedangkan  perbandingan  harmonisa  ganjil  yang  terjadi sebelum  dan  setelah  pemasangan  filter  adalah  sebagai berikut :
Tabel  6. Kesesuaian harmonisa  ganjil  sebelum  dan  setelah pemasangan filter berdasarkan IEEE 519 tahun 1992
Berdasarkan simulasi yang  telah  dilakukan  terlihat bahwa penggunaan filter aktif  shunt dapat menurunkan tingkat  harmonisa  arus  yang  terjadi  sebagai  akibat penggunaan beban  non  linier  di  Laboratorium  teknik Listrik Politeknik Negeri Pontianak sesuai dengan batas maksimum  yang    di  izinkan  berdasarkan  aturan  IEEE 519 tahun 1992.

## 4. Kesimpulan
1. Distorsi  harmonisa  yang  terjadi  di  Laboratorium Teknik  Listrik  untuk  tegangan sudah  sesaui  dengan IEEE 519 – 1992 yaitu < 5 %.
2. Hasil  pengukuran  Harmonisa  arus fasa  R  (24,7 – 25,4)  %,    untuk      fasa    S  (5,7 -6,2   )  %, dan    untuk fasa T ( 10,3 -12,7  ) %.
3. Parameter  dari  filter  aktif  shunt  yang  di  pergunakan yaitu  nilai minimum induktor  sebesar  0,00694 Hendri,  Frekuensi switching sebesar  12  Khz, tegangan  referensi  sebesar  1000  Volt    dan  kapasitor sebesar 650 µF.
4. Dari  hasil  simulasi  yang  di  lakukan  tingkat harmonisa  yang  terjadi  sudah  memenuhi  standar IEEE 519 -1992 yaitu fasa R 2,24 %, fasa S sebesar 1,66 % , fasa T 1,91%.

## Referensi
[1] Arindam Ghosh, Gerard Ledwich, 2002 , Power Quality Enhancement  Using  Custom  Power  Device,  Kluwer Academic Publishers, Boston.
[2] Awan  Setiawan,  2007, Kajian  Pengaruh  Harmonisa Terhadap Sistem Tenaga Listrik,Jurnal ELTEK Vol 05.
[3] Hanny  H.  Tumbelaka,  Thiang,  Sorati,Aplikasi  Jaringan Saraf  Tiruan  pada  Active  Power  Filter  Tiga  Fasa, Fakultas  Teknologi  Industri,  Jurusan  Teknik  Elektro, Universitas KristenPetra.
[4] Hirofumi  Akagi,  Edson  Hirokazu  Watanabe,    Mauricio Arede,2007, Instantaneous Power Theory and
Application  for  Power  Conditioning,  John  Wiley  & Sons, New Jersey.
[5] IEEE  Std  519-1992.  1993.  IEEE Recommended Practices and Requirements  for  Harmonic  Control  in Electric    Power    Systems.  ©  Institute  of  Electrical  and Electronics  Engineers, Inc.
[6] Jamhir Islami, 2009, Tesis : Analisis Pengaruh Kualitas Daya Listrik Terhadap Penghematan Pemakaian Energi di  Fakultas  Teknik  Universitas  Tanjungpura  Pontianak, Universitas Tanjungpura Pontianak.
[7] Luqman  Assaffat,  Sri  Hartini  ,  M  Haddin,  2012, Pemodelan  dan  Simulasi  Filter  Aktif  Shunt  Untuk Perbaikan  Harmonisa  Sebagai  Upaya  Penghematan Energi  Listrik,  Program  Studi  Magister  Teknik  Elektro UNISSULA.
[8] Roger C. Dugan, Mark F. McGranaghan,2002, Electrical Power Systems Quality, McGraw-Hill, New York.
[9] Tilli  Andrea,  Lorenzo  Marconi,  Cristian  Conficoni, Analysis,  Dimensioning  and  Robust  Control  of  Shunt Active  Filter  for  Harmonic  Current  Compensation  in Electrical Main, Center of Complex Automated System ( CASY ) Dept of Electronics, Computer Engineering and System ( DEIS), Universitas Of Bologna, Italy [10] Yanuarsyah Haroen , Slamet Riyadi, Maurice Fadel,2007, Implementasi  Tapis  Daya  Aktif  Shunt  Pada Tegangan  Tak  Seimbang  Dan  Terdistorsi,  Jurnal teknologi, Edisi No. 1. Tahun XXI.

## Biography
Irawan  Suharto,  lahir  di  Sintang  11  Maret  1971,  lulus S1 Teknik Elektro Universitas Tanjungpura tahun 1996. Dari  tahun  1998  hingga  sekarang    berkerja  sebagai  staf pengajar  Jurusan  Teknik  Elektro Politeknik  Negeri Pontianak.