kestabilan sistem tenaga
DESCRIPTION
kestabilan steady statekestabilan transientTRANSCRIPT
BAB I
PENDAHULUAN
Pada perencanaan dan operasi sistem tenaga listrik, kestabilan sistem adalah hal yang sangat
penting. Pada sistem pengaturan modern, eksitasi memegang peranan penting dalam
mengendalikan kestabilan suatu pembangkit karena apabila terjadi fluktuasi beban maka eksitasi
sebagai pengendali akan berfungsi mengontrol keluaran generator seperti tegangan, dan faktor daya
dengan cara mengatur kembali besaran-besaran input guna mencapai titik keseimbangan barn. Bila arus
eksitasi naik maka daya reaktif yang disalurkan generator ke sistem akan naik sebaliknya bila turun
maka daya reaktif yang disalurkan akan berkurang. Jika arus eksitasi yang diberikan terlalu kecil,
aliran daya reaktif akan berbalik dari sistem menuju ke generator sehingga generator menyerap daya
reaktif dari sistem. Keadaan ini sangat berbahaya karena akan menyebabkan pemanasan berlebihan pada
stator.
Pada dasarnya, kestabilan sistem tenaga listrik terbagi dalam kestabilan steady state dan
kestabilan transient. Kestabilan transient berhubungan dengan gangguan besar yang terjadi
secara tiba-tiba, seperti gangguan hubung singkat, pemutusan saluran, pemindahan atau pemutusan
beban. Sedangkan kestabilan steady state berhubungan dengan kemampuan sistem tenaga listrik untuk
kembali pada kondisi operating point-nya setelah terjadi gangguan kecil.
Suatu sistem tenaga listrik dikatakan dalam kondisi stabil bila seluruh variabel keadaannya
stabil, baik tegangan bus, sudut genarator atau frekuensi sistem. Bila sistem menjadi tidak stabil, maka
ketidakstabilan tersebut bisa dimanifestasikan melalui cara-cara berbeda, tergantung pada sifat dari
sistem, kondisi operasi serta pada sifat dan lokasi yang memulai gangguan. Ketidakstabilan
sistem yang diwujudkan dalan bentuk tegangan di beberapa bus turun jauh di bawah kondisi normal
dan memungkinkan terjadi gagal tegangan, maka peristiwa tersebut bisa dikatakan atau merupakan
fenomena ketidakstabilan tegangan. Persoalan stabilitas sangat bergantung pada kemampuan sistem
mempertahankan kondisi tegangan mantap pada seluruh bus, baik dalam keadaan operasi normal maupun
setelah terjadi gangguan. Suatu sistem dikatakan dalam kondisi tegangan tidak stabil, bila terjadi
perubahan pada sistem di luar prakiraan.
1
BAB II
OPERASI DAN DINAMIKA SISTEM TENAGA LISTRIK
2.1 Dinamika Sistem Tenaga Listrik
Sistem tenaga modern dipresentasikan oleh sebuah sistem interkoneksi yang sangat tergantung
pada kontrol untuk memanfaatkan secara optimal sumber daya yang ada. Sumber yang dapat
diperbarui dan ekonomi energi listrik merupakan faktor penentu perkembangan industri yang bisa
meningkatkan standar hidup masyarakat. Sejak revolusi industri, kebutuhan energi listrik
meningkat tajam. Sebagian besar energi yang dibutuhkan oleh masyarakat modern disuplai dalam
bentuk energi listrik. Peningkatan kebutuhan energi listrik yang sebanding dengan keterbatasan antara
sumber daya dan lingkungan merupakan tantangan yang hams dihadapi oleh perancang sistem. Sebuah
keterbatasan pada penyaluran daya akan menimbulkan usaha untuk meningkatkan kemampuan
jaring transmisi dalam pencarian solusi teknologi terbaik. Perkembangan rekayasa kontrol yang sangat
cepat cenderung mengatur penyaluran daya pada saluran transmisi daya listrik sesuai kebutuhan dan
bervariasi dari waktu ke waktu menggunakan kontrol yang terpadu dan optimal. Dinamika sistem
tenaga menjadi faktor penting untuk memenuhi operasi sebuah sistem. Hal itu dipengaruhi oleh
komponen-komponen dinamika sistem seperti generator, jaring transmisi, beban, peralatan Flexible
AC Transmision System (FACTS), dan peralatan kontrol yang lain.
2.2 Kestabilan Sistem Tenaga Listrik
Stabilitas sistem tenaga listrik telah menjadi perhatian utama dalam sebuah sistem operasi.
Perhatian itu muncul dari fakta bahwa pada kondisi keadaan mantap (steady state), kecepatan rata-rata
untuk semua generator hams sama. Kondisi tersebut dinamakan pada operasi sinkron dari sebuah
sistem yang terinterkoneksi. Gangguan kecil atau besar pada sistem tenaga berdampak pada operasi
sinkron. Sebagai contoh, kenaikan atau penurunan tiba-tiba pada beban, atau akibat mgi
pembangkitan, menjadi salah satu jenis gangguan yang berpengaruh sangat signifikan terhadap
sistem. Jenis lain dari gangguan adalah jaring transmisi terputus, beban lebih (over load), atau hubung
singkat. Dengan demikian diharapkan stabilitas sistem akan menuju ke keadaan mantap dalam waktu
singkat setelah gangguan menghilang. Hal itu mempakan gambaran dari sebuah sistem yang dianggap
sukses.•
Gangguan dapat dibagi menjadi 2 kategori, yaitu gangguan kecil dan gangguan besar.
Gangguan kecil mempakan satu dari elemen sistem dinamik yang dapat dianalisis menggunakan
2
persamaan linear (analisis sinyal kecil). Gangguan kecil yang terjadi bempa pembahan beban pada sisi
beban atau pembangkit secara acak, pelan dan bertingkat. Gangguan yang menghasilkan kejutan tiba-
tiba pada tegangan bus adalah jenis gangguan besar yang hams dihilangkan secepatnya. Jika tidak
dihilangkan secepatnya, gangguan itu akan sangat mempengamhi kestabilan sistem. Tidak hanya besar
gangguan, waktu gangguan juga berpengamh terhadap kestabilan sistem.
2.2.1 Kestabilan Steady State
Kestabilan steady state adalah kemampuan sistem tenaga untuk mencapai kondisi stabil pada
kondisi operasi barn yang sama atau identik dengan kondisi sebelum terjadi gangguan setelah
sistem mengalami gangguan kecil. Analisis kestabilan steady state menggunakan pendekatan
model linear. Kestabilan steady state pada sistem tenaga dapat disebut sebagai kestabilan sinyal kecil
(small signal stability). Kestabilan steady state merupakan sebuah fungsi dari kondisi operasi.
2.2.2 Kestabilan Transien
Kestabilan transien adalah kemampuan sistem tenaga untuk mencapai kondisi stabil operasi
barn yang dapat diterima setelah sistem mengalami gangguan besar. Analisis kestabilan transien
menggunakan pendekatan model nonlinear. Kestabilan transien pada sistem tenaga adalah respon
output yang mencapai kondisi operasi steady state yang diizinkan dan sistem yang dapat kembali ke posisi
semula pada saat sistem mengalami gangguan. Kestabilan transien merupakan fungsi dari kondisi
operas i dan gangguan %1 l i .
Di samping dua kategori di atas, Professor William D. Stevenson menambahkan
satu kategori, yaitu kestabilan dinamik. Secara konsep kestabilan steady state dan dinamik adalah sama.
Hal penting lain yang hams dicatat adalah walaupun sistem beroperasi dalam kondisi tidak stabil
secra transien, tetapi kestabilan sinyal kecil pada sistem tersebut perlu dijaga setiap waktu. Secara umum,
kestabilan tergantung pada beban sistem. Peningkatan beban dapat memicu ketidakstabilan. Hal
itu menunjukkan bahwa menjaga kestabilan sistem merupakan hal penting meskipun berada di bawah
kondisi beban berat.
2.4 Permasalahan Dinamika Sistem Tenaga
Pada tahap awal perkembangan sistem tenaga, lebih dari 50 tahun yang lalu, kedua
permasalahan kestabilan (steady state dan transien) menjadi tantangan bagi para perancang.
Pembangunan fast acting static exciter dan electronic voltage regulator untuk mengatasi
3
tingkat permasalahan kestabilan transien dan steady state. Perkembangan di bidang operasi kecepatan
tinggi circuit breaker dan pengurangan waktu dalam penghilangan gangguan juga telah terbukti
dapat meningkatkan kestabilan sistem. Pengaturan frekuensi beban (Load Frequency Control)
telah mengakibatkan perkembangan pengatur kecepatan turbin yang memungkinkan kontrol frekuensi
danoutput generatorsecaraminimum. Kontrol penggerak mula (prime mover) yang bervariasi
diklasifikasikan sebagai primer (kecepatan governor), sekunder (aliran daya dan frekuensi), dan
tersier (economic load dispatch). Bagaimanapun juga, perubahan deviasi frekuensi hams menjadi
lebih kecil dalam pembangunan sistem interkoneksi yang baik Oleh sebab itu, kontrol frekuensi tenaga
(dikenal juga dengan Automatic Generation Control (AGC)) telah menjadi hal yang sangat
penting dan berkembang dengan sangat cepat. Desain kontrol sistem pada prime-mover juga dapat
membantu meningkatkan performansi dinamika sistem, khususnya stabilitas frekuensi. Di sisi lain,
problem osilasi tenaga frekuensi rendah menjadi hal yang sangat penting untuk dicermati. Osilasi frekuensi
berada antara 0,2 sampai dengan 2,0 Hz. Frekuensi yang lebih rendah dapat semakin meluas menjadi
osilasi interarea. Osilasi tersebut ditemukan pada fast voltage regulation dalam generator. Hal itu
dapat dibantu dengan penyediaan peralatan kontrol tambahan berupa Power System Stabilizer
(PSS). Desain dan perkembangan PSS yang efektif akhir-akhir ini banyak diinvestigasi oleh
para peneliti.
Problem utama lain yang dihadapi oleh sistem tenaga modern adalah tegangan jatuh atau
ketidakstabilan tegangan yang merupakan hasil dari ketidakstabilan kondisi mantap. Sejarah
mencatat bahwa ketidakstabilan steady state berhubungan dengan ketidakstabilan sudut daya dan kehilangan
sinkronisasi antar generator secara perlahan. Kejatuhan tegangan bus beban di bawah kondisi beban
tinggi dan Batas daya reaktif secara perlahan adalah fenomena yang saat ini sedang banyak diminati.
Fenomena transmisi daya dihadapi oleh negar-negara maju meskipun mereka memiliki cadangan
tenaga yang besar. Faktor lingkungan dan ekonomi mengharuskan lokasi generator
diletakkan pada tempat terpencil melalui jaring tenaga listrik yang tersedia. Problem operasional yang
dihadapi pada kasus tertentu membutuhkan analisis detail dari sifat dinamik sistem tenaga dan
perkembangan kontroler yang cocok untuk mengatasi masalah. Sistem tidak hanya menempatkan
kontroler pada generator seperti eksitasi dan kontroler pengatur kecepatan, tetapi juga kontroler
pada HVDC converter station, Static VAR Compensator (SVC), dan peralatan FACTS
yang lain Peralatan kontrol barn seperti Thyristor Controlled Series Compensation
(TCSC), STATCOM, dan Static Phase Shifter (SPS) melaju terus dan berkembang pesat.
4
Keanekaragaman penggunaan kontroler mat inimenjadi tantangan bagi para perancangan untuk
menghasilkan kombinasi yang ideal.
Peralatan yang digunakan untuk menyelesaikan studi problem dinamika sistem di waktu
lampau amat sederhana. Simulasi analog menggunakan AC Network Analyser tidak mencukupi
untuk model generator secara detail. Keuntungan komputer digital tidak hanya dapat mengantar
model peralatan kompleks, tetapi juga dapat mensimulasikan sistem skala besar. Model realistis
memungkinkan simulasi sistem melebihi periode yang lebih lama dari periode sebelumnya. Kontrol
modern dapat diaplikasikan untuk memperbaiki performansi sistem. Sekarang banyak
dikembangkan implementasi kontrol modern sebagai peralatan yang cerdas untuk memperbaiki
performansi sistem tenaga listrik, seperti aplikasi Optimal Control, Fuzzy Logic Control, dan
Genetic Algorithm. Walaupun sebagian masih terbatas pada simulasi, tetapi aplikasi pada real time
di masa mendatang pada bidang industri tenaga listrik masih sangat terbuka lebar dan menjadi lahan
pekerjaan dan penelitian yang sangat menarik.
2.5 Kestabilan Transfer Daya Generator
Generator beroperasi dalam keadaan stabil, jika terdapat keseimbangan antara daya input mekanis
penggerak utama (prime mover) dengan daya output listrik. Dalam keadaan ini generator berputar
dalam kecepatan sinkron dengan tegangan keluaran 1 pu. Jika terjadi ketidakseimbangan misal karena
kenaikan atau penurunan beban maka generator akan mengalami transien yaitu menyimpangnya
nilai kecepatan rotor generator (frekuensi sitem) dan tegangan dari nilai nominal. Agar kecepatan
rotor dan tegangan keluaran generator kembali normal, governor dan rangkaian eksitasi akan bereaksi
menyeimbangkan daya input dan output. Jika akibat beroperasinya governor dan rangkaian eksitasi, nilai
kecepatan dan tegangan menuju nilai barn atau kembali ke nilai nominal, berarti generator tersebut stabil.
Sebaliknya, bila akibat beroperasinya governor dan rangkaian eksitasi, nilai kecepatan dan
tegangan tidak konvergen ke satu niali, bearti generator tersebut tidak stabil.
Kestabilan generator bergantung pada banyak faktor. Di samping faktor kecepatan respon
governor dan eksitasi, kestabilan generator sangat bergantung pada nilai sudut daya generator pada nilai
transfer daya tertentu dan reaktansi jaringan antara generator dan beban. Untuk memahami lebih
lanjut mengenai fenomena kestabilan transfer daya generator ditunjukkan gambar 2.1. Gambar 2.1 adalah
skema generator yang mencatu daya melalui sistem transmisi ke sistem ujung penerima pada rel 2.
Segiempat yang terlihat mewakili sistem transmisi yang terdiri dari komponen pasif linear seperti
transformator, saluranb transmisi, kapasitor dan termasuk juga reaktansi peralihan generator
5
tersebut. Tegangan E'1 mewakili tegangan dalam peralihan generator pada rel 1. Tegangan E'2 pada
ujung penerima disini di anggap sebagai tegangan tak terhingga atau tegangan dalam
peralihan motor serempak yang reaktansi peralihannya sudah dimasukkakn ke dalam
jaringan.
Gambar 2.1 Diagram Transfer Daya
2.6 Load Frequency Control
Sistem pengaturan prime mover memberikan sarana untuk mengendalikan
aktif. Fluktuasi permintaan daya aktif pada satu titik direfleksikan oleh sistem sebagai fluktuasi
frekuensi. Karena banyak generator penyalur daya listrik terhubung pada sistem, maka diharuskan
menyediakan metode yang tepat untuk mengalokasikan fluktuasi permintaan daya tersebut.
Pengatur kecepatan masing-masing unit pembangkit memberikan fungsi kontrol kecepatan
primer yang menyebabkan kontrol tambahan pada kontroler sentral (pusat) untuk
mengalokasikan pembangkitan. Dalam sistem mesin terinterkoneksi dengan dua atau lebih
area yang terkontrol secara independen, pembangkitan pada masing-masing area harus
dikendalikan untuk menjaga pertukaran daya yang terjadwal dalam mengontrol frekuensi.
6
Dengan aksi kontrol kecepatan primer, perubahan pada beban sistem akan berpengaruh pada
penyimpangan frekuensi steady state, bergantung pada karakteristik droop governor dan
sensitivitas frekuensi beban. Semua unit pembangkit dengan pengaturan kecepatan akan
memberikan kontribusi pada perubahan pembangkitan dengan mengabaikan lokasi perubahan beban.
Sarana dasar untuk mengatur daya prime mover agar sesuai dengan variasi beban pada perilaku yang
diinginkan adalah melalui kontrol set-point referensi beban pada unit pembangkit yang
dipilih Seiring dengan beban sistem yang selalu berubah, diperlukan perubahan output secara
otomatis dengan kontrol pembangkitan. Tujuan utama dari kontrol pembangkitan otomatis adalah untuk
mengontrol frekuensi pada nilai nominal yang telah ditentukan dan untuk menjaga pertukaran daya antar
kontrol area pada nilai yang dijadwalkan dengan menyesuaikan output dari generator. Fungsi ini secara
umum disebut sebagai Load Frequency Control (LFC).
2.7 Flexible AC Transmision System (FACTS)
Pengoperasian sistim jaringan transmisi daya listrik kini telah memasuki era barn. Dalam tahapan barn
ini, transmisi daya listrik tidak hanya akan menjadi lebih terjamin dan lebih terkendali dalam
pengaturannya, tetapi juga akan menjadi jauh lebih efisien dalam pemanfaatannya. Peningkatan pesat ke
arah pemanfaatan sistim jaringan transmisi listrik secara optimal ini dimungkinkan dengan keberadaan
dan semakin dewasanya aplikasi teknologi dibidang elektronika daya pada khususnya dan
teknologi semikonduktor pada umumnya. Teknologi kendali terbaru untuk transmisi daya listrik ini
populer dengan sebutan FACTS singkatan dari Flexible AC Transmission System dan pertama kali
dikembangkan oleh Electric Power Research Institute (EPRI) di Palo Alto negara bagian California di
Amerika Serikat. Pada awal pengembangannya, teknologi FACTS ditujukan untuk menjawab
permasalahan dalam peningkatan kapasitas pengaliran daya listrik pada sistim jaringan transmisi dan
juga untuk menyediakan peralatan kendali daya listrik yang terpercaya pada jalur transmisi yang diinginkan.
Pengendalian sistim daya listrik bolak balik (AC) telah dikenal sebagai hal yang kompleks. Ini
disebabkan oleh perubahan secara terus menerus antara medan magnit dan medan listrik. Bergeraknya
arus listrik pada satu transmisi tidak hanya dipengaruhi oleh keberadaan tahanan tetapi juga dari induktansi
dan kapasitansi di sepanjang transmisi tersebut. Kombinasi dari ketiga hal inilah yang dikenal dengan
istilah impedansi. Selain daripada itu, pada jaringan transmisi listrik AC, daya listrik mengalir dari ujung
7
transmisi dengan voltase fasa leading ke ujung yang lain yang bervoltase fasa tertinggal (lagging).
Besarnya daya listrik yang mengalir pada suatu transmisi akan bertambah dengan semakin besarnya
perbedaan sudut fasa antara kedua voltase tersebut. Konsekuensinya, penambahan aliran daya
listrik suatu transmisi dengan demikian dapat dilakukan dengan tiga cara: menaikan voltase,
menambah selisih sudut antara dua ujung transmisi atau dengan pengurangan impedansi dari
transmisi. Teknologi FACTS inilah yang kemudian dikembangkan dengan salah satu tujuan untuk
menyediakan peralatan yang fleksible dalam pengaturan atau pengendalian ketiga parameter aliran
daya listrik tersebut. Dengan pengaturan dan pengendalian yang fleksibel ini maka harapan untuk
memaksimalkan kapasitas transmisi pada tingkat batas panas (thermal rating) akan terwujud. Jenisjenis
FACTS yaitu HVDC converter station, Static VAR Compensator (SVC), Thyristor
Controlled Series Compensation (TCSC), STATCOM, Static Phase Shifter (SPS) dan
lain-lain.
Upaya menaikkan batas maksimum transfer daya dapat dilakukan dengan
memperkecil nilai reaktansi jaringan. Cara yang paling efektif adalah dengan
menggunakan kompensasi kapasitor seri (salah satu jenis FACTS). Disamping
meningkatkan kestabilan dinamik, kapasitor seri juga berfungsi memperbaiki
regulasi tegangan dan keseimbangan daya reaktif serta memperbaiki load sharing
antar saluran paralel. Salah satu bentuk peralatan kapasitor seri adalah Thyristor
Controlled Series Compensation (TCSC).
Subsynchronous Resonance (SSR)
Pemakaian kapasitor seri, disamping memberikan banyak keuntungan, dapat
menimbulkan osilasi akibat resonansi antara kapasitor dengan induktor pada
frekuensi sub-sinkron dari turbin. Fenomena ini dinamakan Subsynchronous
Resonance (SSR). Salah satu cara untuk meredam SSR adalah dengan menggunakan
Power System Stabilizer (PSS). Cara inilah yang akan dikembangkan dalam tugas akhir ini.
Dalam tugas akhir ini Power System Stabilizer digunakan bukan hanya untuk meredam osilasi yang
disebabkan SSR, tetapi juga osilasi yang disebabkan oleh perubahan beban, atau dapat memperbaiki
respon kestabilan dinamik sistem tenaga listrik.
8