## PERBAIKAN KUALITAS TEGANGAN MENGGUNAKAN DYNAMIC VOLTAGE RESTORER (DVR)
Winarso 1
1) Fakultas Teknik, Program Studi Teknik Elektro, Universitas Muhammadiyah Purwokerto Jln. Raya Dukuh Waluh-Purwokerto
Email : ewinarso@gmail.com
Abstract  -  Dynamic  Voltage  Restorer  is one  of  quality  solution  methods  of electric  power  that  is  used  to  recover drop voltage (sag) by injecting voltage to the  network.  Injection  of  minimum power method is minimum active power supplied  to  the  load  as  compensation  of sag.  Thus,  it  can  stabilize  load  voltage. The  aim  of  this  research  is  to  maintain voltage  magnitude  constantly  in  the sensitive load location, when fault occur. In tackling sag and swell problems, DVR can solve balance and unbalance conditions  by  injecting  appropriate voltage component. Therefore, the normal  condition  at  source  voltage  can be  achieved  as  soon  as  possible.  DVR Control  produces  fast  and  accurate response  that  lead  to  an  accurate solution  increasing  quality  of  electric power  system  caused  by  sag.  Sag  can disturb performance of sensitive equipments. MATLAB-SIMULINK with toolbox  of  electric  power  system  will  be utilized in simulation process.
Kata  kunci  :  power  quality,  sag  voltage, dynamic voltage restorer series .

## I. Pendahuluan
Sistem  distribusi  tenaga,  idealnya,  harus menyediakan  tenaga  listrik  ke  pelanggan secara  kontinu  dengan  tegangan  sinusioda halus  pada  level  dan  frekunesi  yang  tetap. Akan  tetapi,  dalam  prakteknya  sistem tenaga  banyak  terdapat  beban  tidak  linier, yang  berpengaruh  secara  signifikan  pada kulitas  daya  dari  suplai.  Akibat  adanya beban non linier ini, bentuk gelombang dari suplai  menjadi  tidak  murni  sinusoidal.  Ini menghasilkan  masalah  kualitas    daya. Disamping  beban  non  linier,  beberapa kejadian  pada  sistem  (misal:  switching kapasitor,  starting  motor)  atau  adanya
gangguan juga dapat menimbulkan masalah kualitas  tenaga  listrik.  Isu  Kualitas  tenaga menjadi  semakin  penting  bagi  konsumen daya listrik pada semua tingkat pemakaian. Peralatan  sensitif  dan  beban  non  linear sekarang  menjadi  umum  digunakan  baik pada  sektor  industri  dan  lingkungan domestik.  Oleh  Karena  itu  kesadaran tentang  kualitas  tenaga  terus  berkembang diantara penggunaan tenaga listrik.
Gangguan  pada  saluran  transmisi  atau distribusi  dapat  menyebabkan  tegangan transient,  sag  atau  swell  pada  sistem.  Hal yang  sama  pada    kondisi  beban  berat, penurunan  tegangan  yang  signifikan  dapat terjadi  pada  sistem.  Tegangan  sag  dapat terjadi setiap saat dengan rentang
amplitudo  10–90%  dan  durasi  antara setengah  siklus  hingga  satu  menit . Disisi lain kenaikan tegangan (swell), didefinisikan  sebagai  kenaikan  tiba-tiba nilai  tegangan  listrik  pada    pada  rentang amplitude  110%-180%  dengan  durasi  dari 10 ms hingga 1 menit. Sag dan Swell dapat menyebabkan  peralatan  sensitif  menjadi gagal beroperasi atau berhenti. Akibat yang ditimbulkan  dapat  menjadi  mulai  dari berhentiya  produksi  hingga  kerusakan peralatan.
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk menjaga  nilai  konstan  magnitude  tegangan pada  titik  beban  sensitive  pada  kondisi system mengalamai gangguan.
Ada  beberapa  metode  yang  digunakan untuk mengurangi sag dan swell. Penggunaan custom  Power  devices (CPD) dianggap  sebagai  metode  yang  paling efisien.  Terdapat  banyak  jenis  CPD  antara lain filter daya aktif / Active Power Filters (APF),  sistem  penyimpan  daya  batere  / Battery  Energy  Storage  Systems  (BESS),
Distribution Static synchronous
COMpensators  (DSTATCOM),  Kapasitor seri / Distribution Series Capacitors (DSC),
Pemulih tegangan listrik dinamis / Dynamic Voltage Restorer (DVR),
Uninterruptible  Power  Supplies  (UPS)  dan lain-lain.
Masing-masing peralatan CPD  mempunyai kelebihan dan keterbatasan. Jenis peralatan yang  dianggap  paling  efektif  adalah pemulih  tegangan  listrik  dinamis  (DVR). Ada  beberapa  alasan  mengapa  DVR  lebih disukai  daripada  peralatan  yang  lain. Beberapa alasan-alasan ini disajikan sebagai  berikut.  Piranti  SVC  lebih  awal dari  DVR, tetapi DVR lebih disukai karena SVC  tidak  mempunyai  kemampuan  untuk mengontrol  aliran  daya  aktif.  Alasan  lain adalah  DVR    lebih  murah  dibandingkan dengan UPS.
UPS  tidak  hanya  mahal,  tetapi  juga memerlukan  pemeliharaan  yang  intensif karena  baterai  mengalami  kebocoran  dan mempunyai  usia  pakai  tertentu,  sehingga harus  diganti  setiap  lima  tahun.  Alasan- alasan  lain  adalah  DVR  mempunyai  suatu kapasitas  daya  lebih  tinggi  dan  murah dibandingkan  Peralatan  SMES.  Selain  itu, ukuran  DVR  lebih  kecil  dan  lebih  murah dibandingkan dengan DSTATCOM. Berlandaskan alasan-alasan ini, tidak mengherankan  bila    DVR  secara  luas dipertimbangkan sebagai suatu piranti daya yang    efektif  dalam  mitigasi  tegangan  sag. Sebagai tambahan, selain mengkompensasi sag  dan  swell,  DVR  juga  memiliki  fitur tambahan  lain  seperti  filter  harmonik  dan koreksi faktor daya. Dibandingkan peralatan  lain,  DVR  menyediakan  solusi ekonomi  terbaik  untuk    ukuran  dan kemampuan yang dimiliki.
Menurut  standar  IEEE  1159-1995, IEEE Recommended  Practice  for  Monitoring Electric Power Quality , definisi sag adalah penurunan  nilai  rms  tegangan  atau  arus pada  frekuensi  daya  selama  durasi  waktu dari 0,5 cycles  (0,01detik) sampai  1  menit. Dan rentang perubahan dari 0,1 sampai 0,9 pu pada  harga  rms  besaran  tegangan  atau arus.  Hal  ini  menyebabkan  lepasnya (trip)
peralatan-peralatan  yang  peka  terhadap perubahan tegangan.
Gambar 1 . Tegangan Sag [9]
Gambar  2  menunjukkan  tipe  tegangan  sag yang diakibatkan oleh gangguan satu phasa ke  tanah  pada  feeder  lain  dari  substasion yang sama. Sekitar 80% tegangan sag akan muncul  selama  tiga  cycle  sampai  circuit breaker  substasion  mampu  memutuskan arus  gangguan.  Waktu  waktu  pemutusan ( clearing  times )  berkisar  antara  3  –  30 cycle  tergantung  dari  besar  arus  gangguan dan tipe proteksi arus lebih.
Gambar 2 . Tegangan Sag akibat gangguan satu phasa ke tanah [9]

## 1.1 Batasan Nilai Sag Tegangan
Nilai  dari  penurunan  tegangan (voltage sag) harus diperhatikan agar tidak mempengaruhi kerja dari peralatan- peralatan  elektronik  ataupun  peralatan- peralatan kontrol dalam
suatu pabrik/industri.
Tabel  1. Tipikal  rentang kualitas  daya  input dan parameter beban pada sebuah komputer
Parameter Rentang Batasan  tegangan (steady state) +6 %, -13 %
Gangguan tegangan Surge +15  %  -  maks 0,5 s Sag -18 %  -  maks 0,5 detik Transient  overvoltage 150-200 % - 0,2 s Harmonik Maks  5%  (peralatan beroperasi) Kompatibilitas elektromagnetik Maks 1 V/m Batasan frekuensi 60 Hz + 0,5 Perubahan frekuensi 1 Hz/s Tegangan tiga- fasa tak imbang 2,5 % Beban tiga-fasa tak imbang 5 – 20 % Faktor daya 0,8 – 0,9 Load demand 0,75  –  0,85  (dari beban tersambung) Sumber  :  IEEE  std  446-1995, IEEE Recommended Practice for Emergency and Standby  Power  System    for  Industrial  and Commercial Application.
Untuk menghitung besar tegangan sag pada titik Point  of  Common  Coupling (PCC) dalam sistem parallel,
biasanya menggunakan  model  pembagi  tegangan dimana  besar  tegangan  pada  PCC  dapat dihitung dengan persamaan 1 [1].
Sumber E U sag PCC Beban sensitive Zf Zs
Gambar  3.  Gangguan  pada  feeder  paralel yang menyebabkan sag voltage
(1) Dimana : Zs: impedansi sumber termasuk impedansi trafo Zf: impedansi antara PCC dan gangguan termasuk  gangguan  dan  impedansi jaringan Sag  juga  biasa  diasosiasikan  dengan perubahan sudut phasa tegangan. Perubahan  ini  dikenal  dengan  lompatan sudut  phasa  ( phase  angle  jump )  antara  sag dan pre-sag [2].
Tabel  2. Sensitivitas  peralatan  terhadap temporary low-voltage
Lokasi drop tegangan Tegangan minimum  yang diperbolehkan (% rating peralatan) Terminal  motor  yang diasut 80 % Terminal  motor  lain yang  memerlukan  re- akselerasi 71 % Kontaktor  AC trip (menurut standar) 85 % Kontaktor  DC trip (menurut standar) 80 % Kontaktor hold-in 60 – 70 % Piranti  kontrol solid- state 90 % Tipikal peralatan elektronik 80 % Ballast  lampu  Metal halide atau HP sodium 90 % Sumber : PacifiCorp, Engineering Handbook

## 1.2 Konfigurasi Dynamic Voltage
Restorer
Pemulih  Tegangan  Listrik  Dinamis  (DVR) piranti  solid  state  yang  menginjeksi tegangan  ke  dalam  sistem  untuk  mengatur tegangan  disisi  beban.  DVR    pertama  kali dipasang  pada  tahun  1996.  Normalnya DVR  dipasang  pada  sistem  distribusi diantara  suplai  dan  feder  beban  kritis. Fungsi  utama  DVR  ini  adalah  untuk menaikkan tegangan listrik dengan cepat di sisi beban saat terjadi gangguan. Disamping berfungsi untuk mengkompensasi sag dan swell, DVR juga memiliki  fitur  tambahan  lain  seperti: mengkompensasi  tegangan  harmonic  pada
jaringan,  mereduksi  tegangan  transien  dan membatasi arus gangguan.
Secara  umum  DVR  mengontrol  tegangan suplai  yang  ditempatkan  diantara  sumber dan  beban  sensitive.  DVR  menginjeksi tegangan pada system dengan tujuan untuk mengkompensasi  setiap  gangguan  yang mempengaruhi tegangan beban [3]
Gambar 4. Topologi DVR Terkoneksi Seri
Trafo  injeksi  (trafo  booster)  merupakan trafo  yang  didesain  secara  khusus  untuk membatasi  kopling  noise  dan  energi trasnsien  dari  sisi  primer  ke  sisi  sekunder. Fungsi utama trafo booster adalah [4]:
 Menghubungkan  DVR  ke  jaringan distribusi melalui belitan HV
 Mentransformasi dan mengkopel tegangan  kompensasi  injeksi  yang dibangkitkan  oleh  VSC  ke  tegangan suplai sisi masukan (incoming)
 Menyediakan  isolasi  beban  dari  sistem (VSC dan mekanisme).
Fungsi  utama  dari  filter  harmonik  adalah untuk  mempertahankan    konten  harmonik yang  dihasilkan  oleh  voltage  source converter pada level yang  diizinkan. Filter harmonic ini memiliki rating kecil kira-kira 2%  dari  MVA  beban  yang  terhubung  ke kumparan tersier dari trafo injeksi.
VSC  adalah  sebuah sistem  elektronik  daya yang  terdiri  dari  peralatan  penyimpanan dan  peralatan  pensaklaran,  yang  dapat membangkitkan  tegangan listrik sinusoidal pada  frekuensi,  besar  dan  sudut  fasa  yang diperlukan.  Pada  aplikasi  DVR,  VSC dipergunakan untuk
menggantikan sementara  tegangan  listrik  suplai  atau untuk  membangkitkan  bagian  tegangan suplai yang hilang.
Terdapat  banyak  topologi  rangkaian  VSC. Salah  satu  metode  yang  banyak  digunakan adalah  konverter  tiga  fasa  dua  level  atau multilevel  yang  memfungsikan  sebuah kapasitor  dc  diantara  fase.  Kapasitor  ini berfungsi    untuk  menyerap    ripple harmonik  dan  ini  merupakan    suatu  cara untuk  menyimpan  kebutuhan  energi  yang relatif kecil. Ukuran dari kapasitor ini harus dinaikkan jika dibutuhkan dukungan tegangan  untuk  kondisi  tidak  seimbang. Kapasitor  juga  memiliki  fungsi  sharing muatan  antar  fasa.  over  voltage    pada  fasa tunggal  mungkin  menyebabkan    distorsi pada  bentuk  gelombang  arus  injeksi  pada phase yang lain. Topologi  konventer  lain  yang  terkenal adalah Inverter Cascade H-Bridge . Konverter  dengan  topologi  ini  cocok digunakan  pada  tegangan  tinggi  dan aplikasi  sistem    tenaga  oleh  karena kemampuannya mensintesis bentuk tegangan  dengan  spectrum  harmonik  yang lebih baik.
Penelitian  ini  pembangkit  membangkitkan daya  ke  transmisi  melalui  trafo  step  up. Dua skenario simulasi yaitu :
a. sistem bekerja pada  keadaan gangguan 3-Ø, tanpa DVR
b. sistem bekerja pada  keadaan gangguan 3- Ø dengan DVR.

## II. Metodologi

## 2.1 Metode Injeksi Tegangan DVR
Metode  kompensasi  atau  injeksi  tegangan menggunakan  DVR    tergantung  pada factor-faktor  yang  membatasi  seperti: rating daya DVR, variasi kondisi beban dan tipe  tegangan  sag.  Beberapa  beban  sangat sensitip  terhadap  lonjakan  sudut  fase, beberapa beban sensitive terhadap lonjakan magnitude  tegangan,  sementara  beban  lain justru  toleran  terhadap  lonjakan  ini.  Oleh sebab  itu,  strategi  kontrol  bergantung kepada jenis dan karakteristik beban.
Ada  tiga  metode  berbeda  untuk  injeksi tegangan DVR yaitu :
1. Metode  Kompoensasi  Pre-Dip  /  Pre- Dip  Compensation  (PDC).  Metode
PDC  melacak  tegangan  suplai  secara terus-menerus  dan  ketika  mendeteksi gangguan  maka  akan  menginjeksi perbedaan  tegangan  antara  tegangan pada  PCC  (sag)  dan  kondisi  pra angguan,  sehingga  tegangan  beban  di- restore ke kondisi sebelum gangguan. Dalam  metode  ini  tegangan    beban idealnya  dapat  dipulihkan  tetapi  daya aktif  injeksi  tidak  dapat  dikontrol  dan nilainya ditentukan oleh kondisi eksternal  seperti  tipe  gangguan  dan kondisi  beban.  Metode  ini  dicapai dengan  mempergunakan  suatu  detektor gangguan  untuk  mengambil  keluaran dari  rangkaian  Phase  Locked  Loop (PLL), ketika gangguan terjadi.
2. Metode  Kompensasi  In-Phase  /  In- Phase  Compensation  (IPC).  Dalam metode  ini  tegangan  injeksi  adalah sefasa  dengan  tegangan  sisi  suplai tanpa  memperhatikan  arus  beban  dan tegangan sebelum gangguan. Sudut fasa tegangan  sebelum  terjadi  sag  dan tegangan  beban  adalah  berbeda  akan tetapi criteria yang paling penting untuk kualitas  daya  adalah  terpenuhinya  nilai magnitude tegangan beban yang konstan.  Metode  ini  dapat  dicapai dengan  dua  cara  yang  berbeda.  Yang pertama dengan
mempergunakan
sebuah Synchronized PLL dengan post– fault  voltage dan  yang  kedua  dengan metode  komponen  simetris.  Metode IPC  cocok  digunakan  untuk  strategi operasi  tegangan  atau  daya  minimum. Dengan  kata  lain,  pendekatan  ini memerlukan  banyak  daya  nyata  untuk memitigasi  sag  tegangan.  Salah  satu kelebihan  metode  ini  adalah  nilai amplitude tegangan injeksi DVR minimum  untuk  tegangan  sag  tertentu dibandingkan dengan metode yang lain. 3. Metode In Phase Advance Compensation (IPAC). Pada metode ini daya  aktif  yang  digunakan  DVR dikurangi  dengan  meminimalkan  sudut fasa  antara  tegangan  sag  dan  arus beban.  Pada  kasus  kompensasi  pre-sag
dan  in-phase  daya  aktif  diinjeksi  ke dalam  sistem  selama  terjadi  gangguan. Suplai  daya  aktif  membatasi  energy yang  tersimpan  dalam  link  DC  dan  ini merupakan  salah  satu  bagian  yang paling  mahal  pada  DVR.  Minimisasi energy  injeksi  didapatkan  dengan membuat komponen daya aktif menjadi nol  dengan  membuat  fasor  tegangan injeksi tegak lurus dengan fasor arus. Pada  metode  ini  nilai  arus  beban  dan tegangan  dibuat  tetap  dalam  sistem sehingga  hanya  merubah  fasa tegangan sag. Metode IPAC hanya menggunakan daya  reaktif  dan  sayangnya,  tidak semua  sag  dapat  dimitigasi  tanpa  daya aktif.  Sebagai  konsekuensinya,  metode ini  hanya  cocok  untuk  jangkauan  sag yang terbatas.

## 2.2  Simulasi
Untuk  simulasi  kompensasi  tegangan  pada aplikasi  praktis,  diterapkan  DVR  dengan skema  kontrol  PWM  diskrit.  Tujuan  dari skema  kontrol  yang  dibuat  adalah  untuk menjaga  nilai  konstan  magnitude  tegangan pada  titik  beban  sensitif  pada  kondisi sistem mengalami gangguan.
Gambar  7  sebagai  rangkaian  simulasi menunjukkan  diagram  satu  garis  sistem pengujian.  Sistem  tersusun  dari  sistem pembangkit  13  kV  50Hz  menyuplai  dua saluran transmisi. Saluran transmisi tersebut  menyuplai  dua  jaringan  distribusi melalui  dua  trafo  dalam  hubungan  Y/ . Untuk  menguji  kerja  kompensasi  DVR, sebuah  gangguan  diterapkan  pada  titik  X selama  durasi  200ms.  DVR  disimulasikan beroperasi hanya selama durasi gangguan.

## III. Hasil dan Pembahasan
Simulasi  pertama  dilakukan  dengan  tanpa gangguan. Kemudian simulasi yang kedua, dengan  scenario  yang  sama,  memasukkan DVR untuk mengkompensasi sag tegangan akibat adanya gangguan 3 fasa yang terjadi. Gambar  5  menunjukkan  nilai  tegangan RMS  pada  titik  gangguan  ketika  sistem beroperasi tanpa DVR dan gangguan 3 fasa diterapkan  pada  sistem.  Ketika  DVR
dioperasikan interupsi tegangan
dikompensasikan  dan  tegangan  RMS  pada titik  beban  tetap  terjaga  pada  kondisi normal seperti gambar 6.
Gambar  5. Tegangan  pada  titik  beban, gangguan 3-Ø fault, tanpa DVR
Gambar  6. Tegangan  pada  titik  beban, gangguan 3-Ø fault, dengan DVR
IV. Kesimpulan
Permasalahan sag dan swell dan dampaknya  pada    beban-beban  sensitif telah banyak diketahui. Untuk menyelesaikan  masalah  ini,  digunakan piranti  tenaga  tertentu  (Custom  Power
Devices  /  CPD).  Salah  satu  peralatan tersebut  adalah  Pemulih  Tegangan  Listrik Dinamis  (Dynamic  Voltage  Restorer  / DVR).
Hasil  simulasi  memperlihatkan  dengan jelas  kinerja  dari  sebuah    DVR  di  dalam menyelesaikan  masalah  sag  dan  swell. DVR  menangani  kedua  situasi  tersebut pada    keadaan  seimbang  dan  tidak seimbang  dengan  menginjeksi  komponen tegangan listrik yang sesuai untuk mengoreksi dengan cepat kondisi ketidaknormalan pada tegangan suplai.
Gambar 7. Rangkaian simulasi

## Daftar Pustaka
[1]  M.  Bollen,  1996.  Fast  Assesment Methods for Voltage Sags in Distribution Systems. IEEE Transactions  on  Power  Delivery,  vo. 12,  no.  4,  pp.  1666  –  1667,  October 1997. [2]   S.Z.  Djokic  and  J.V  Milanovic. Advanced Voltage Sag Characterisation  I:  Phase  Shift.  IEE Proceedings C – Generation,
Transmission  and  Distribution.  2006.
August; 153(4); 423 – 430.
[3]  M.R. Banaei, Seyed Hossein Hosseini, Sohrab  Khamohammadi,  Gevorg  B. Gharehpetion.  Loss  Reduction  of Distribution  System  Using  APLC. Simulation  Modelling  Practice  and Theory 13(2): 169 – 178 (2005).
[4] Ezoji, H. Sheikholeslami, A. Saeednia,  M.M.  dan  Tabasi,  M.
2009. Simulation of Dynamic
Voltage  Restorer  Using  Hysteresis Voltage  Control.  European  Journal of  Scientific  Research,  Vol  27  No  1 pp 152-166.