plta & teori kontrol 2
TRANSCRIPT
PEMBANGKIT LISTRIKTENAGA AIR (PLTA)
STT-PLNJL. Lingkar Luar Duri Kosambi, Cengkareng
Jakarta Barat
Energi Listrik & Sumber energi
Keuntungan dan Kerugian
PLTA Keuntungan
- Tidak diperlukan bahan bakar
- Operational cost rendah.
- Tidak menimbulkan polusi.
- Turbin bisa di On/off dgn cepat.
- Life-time lebih lama(50th).
Kerugian
- Tergantung kapasitas air.
- Biaya investasi mahal
- Capital return lama
- Jauh dari pusat beban sehingga loss –transmisi besar.
Hydro-Electric Power PlantDaya hydrolik yang dihasilkan :
P = g ρ D H [Watts]
dimana :
g : gaya gravitasi = 9.81 m/s2
ρ : densitas air = 1000 kg/m3
D : debit air [ m3/s]
H : head (tinggi air)
Daya listrik yang dihasilkan :
W = 9.81x1000x D H η t
= 9.81 DHη t [kWh]
t = jangka waktu operasi [jam]
( 1 tahun = 8760jam)
η = efisiensi turbin ( 0.5 ~ 0.9)
Ketinggian Air (Head)
High head Power Plant
(100 – 500 m)
Medium head Power Plant
(15 – 100 m)
Low head Power Plant (2 – 15 m)
Lokasi pembuatan waduk/dam
Jenis Turbin Hidrolik
Turbin Pelton (impulse turbin, horizontal
shafts)
Turbin Francis (reaction turbin,high head)
Turbin Kaplan (reaction turbin, low head)
Turbin Deriaz (reaction turbin, diagonal
turbin)
Fungsi : Turbin hydrolik mengkonversi
energi potensial air menjadi energi listrik
yang dihasilkan dari putaran sumbu
generator.
Specific speed turbin hydrolik
Kecepatan turbin hydrolik yang secara
geometris sebanding dengan turbin yang
menghasilkan daya 1 kWatt pada 1 m head.
dimana , N : kecepatan normal [rpm]
P : daya output turbin [kW]
H : net head [m]
4/5H
PNNS
Turbin Pelton
Roda Pelton digerakkan oleh energi kinetik air yang keluar
dari nozzle. Besarnya energi kinetik air yang mengenai
bucket diatur oleh posisi nozzle dan deflector.
Turbin Francis
• Turbin reaksi dengan slow
runner ( NS = 60), tipe radial.
• Debit air yang mendorong
runner vane diatur oleh wicket
gate/guide vane.
Turbin Kaplan
• Turbin reaksi tipe propeller,
untuk low/medium head (4 –
100 m).
• Specific speed : 300 – 1000.
• Terdiri dari axial flow runner
dengan 4 ~ 6 buah adjustable
blades/vanes.
Adjustable blade Turbin (Kaplan)
• Specific speed tinggi
(300 – 1000).
• Kecepatan dapat diatur
dengan :
- adjustable blade
- wicket gates
Dengan menggunakan
servo-motor.
Turbin Deriaz
• Turbin diagonal, aliran air
pada runner menyudut
sebesar 450 dari sumbu.
• Menggunakan adjustable
blades ( 10 ~ 12 blades).
• Head ≈ 200 m
• Dapat digunakan untuk
reversible condition, untuk
berfungsi sebagai pompa.
• Kontrol kecepatan hanya
dengan adjustable blades
saja.
Posisi sudut water intake
Spesifikasi Jenis TurbinPelton Francis Kaplan
Max Capacity 250 MW 720 MW 225 MW
Head 100-1750 m 30-550 m 1.3 – 77.5 m
RPM 75-1000 93.8 - 1000 72-600
Specific speed
(Ns)
6-60 50-400 280-1100
Jenis Impulse Reaksi Reaksi
Pengaturan
kecepatan
Nozzle deflec-
tor
Wicket gates Regulated
vanes
Efisiensi Turbin (η) sebagai fungsi
dari beban (load).
Turbin air dan circular tube
Turbin air dalam proses instalasi
Spiral case / circular tube, 266 MW
Stay ring dengan wicket gate
Spiral case untuk 730 MW
Runner
Runner untuk 266 MW
Runner untuk 325 MW
Wicket Gates
Rotor Generator
Servomotor untuk Wicket gates.
Draft Tube
Turbin assembly untuk 325 MW
TURBIN KAPLAN
TURBIN DERIAZ
TURBIN - GENERATOR
STATOR GENERATOR
ROTOR – SALIENT POLE
ROTOR - CYLINDRICAL
BLANK
TEORI SISTEM KONTROL/KENDALI
Tujuan Sistem Kendali :
Mengendalikan output
dari suatu proses.
Ada 4 fungsi penting :
- Penguatan daya
- Remote Control
- Sinyal input flexible.
- Kompensasi gangguan.
Sistem Open Loop & Closed Loop
Sistem Open Loop & Closed Loop
Open Loop System : Pada sistem open-loop , sistem tidak
dapat mengkompensasi/mengkoreksi perubahan output
apabila terjadi gangguan (disturbance).
Closed-Loop (feedback control) System : Dapat
mengkoreksi terjadinya perubahan output dari yang telah
ditentukan (setting) apabila terjadi gangguan. System
mengkoreksi terjadinya gangguan dengan melakukan
pengukuran perubahan output, memberikan umpan balik
kepada input controller untuk menggerakkan plant
selanjutnya merubah kembali output sesuai dengan setting
semula.
Sistem Closed-Loop lebih kompleks dan mahal (high cost)
dibandingkan Sistem Open-Loop.
Sistem kendali Posisi Antene
Analisa dan disain Sistem Kontrol
Transient Response
Steady state Response
Steady state Error.
Stability
Respon Sistem Kendali
Transient response : respon ouput saat transisi mulai t=0 detik sampai dengan mencapai kondisi ouput yang mantap.
Steady-state response : output yang telah mencapai kondisi mantap sesuai dengan yang diharapkan.
Steady-state error : discrepancy (penyimpangan) nilai output dari nilai output yang telah ditentukan.
Total response = Natural response + Forced response.
- Natural response : respon output yang ditentukan sepenuhnya oleh sistem.
- Forced response : respon output yang ditentukan oleh input.
Total response = transient (natural) response +
steady state (forced) response.
Respon sistem kendali terhadap input unit step
Respon transient dari system 2nd order terhadap
fungsi input unit step.
Fungsi Transfer Fungsi Transfer H(s) ,dari suatu sistem adalah bentuk
pernyataan perbandingan output/input dalam notasi
Laplace (domain s= σ + jω).
H(s) Y(s)X(s)
H(s) =Y(s)
X(s)
Feedback Control Systems
)()()()(,)()()( sHsCsRsEsGsEsC
)()()()()()()()()()(
)(sGsHsCsGsRsCsHsCsR
sG
sC
})()(1{)()()()()()()( sGsHsCsGsHsCsCsGsR
)()(1
)(
)(
)(
sHsG
sG
sR
sC
)()(1
)(
)(
)(
sHsG
sG
sR
sC
Negatif Feedback
Positif Feedback
Persamaan Karakteristik
Persamaan karakteristik : D(s) + K N(s) = 0
Contoh :
)(1
)(
sGH
sG
R
C
0
1
1
0
1
1
..........
)...........(
)(
)()(
bsbs
asasK
sD
sNKsGH
n
n
n
m
m
m
)()(
)()(
)(
)(1
)(
)(
)(
sKNsD
sDsG
sD
sNK
sG
sR
sC
)8)(4()()(
sss
KsHsG
032120)()(1 23 KssssHsG
Analisa Stabilitas
Analisa stabilitas Power System
dilakukan dengan :
- Diagram Root-Locus
- Kriteria Routh-Hurwitz
Untuk mengetahui :
1. Transient Response
2. Steady State error
3. Stabilitas Sistem
Analisa Root Locus
Metode Root-Locus adalah analisa secara grafis untuk
menggambarkan akar-akar persamaan karakteristik
suatu sistem closed-loop yang merupakan fungsi dari
faktor penguatan K.
Analisa ini didasarkan atas hubungan yang terdapat
antara pole-zero dari persamaan karakteristik.
Root-locus digambarkan pada bidang kompleks dalam
domain- s ( s=σ+ jω), dengan suatu metode tertentu.
Dari posisi akar-akar (pole & zero) dapat dianalisa
kondisi kestabilan dari sistem.
Prosedur penggambaran Root-Locus
Gambarkan bidang kompleks s = σ+jω, dan tempatkan pole dan zero dari fungsi
transfer open-loop GH(s) pada bidang tersebut.
Pole menyatakan mulainya root-locus ( K = 0).
Zero menyatakan berakhirnya root-locus (K =~)
Jumlah locus sama dengan jumlah pole GH(s) atau sama dengan orde
persamaan karakteristik.
Locus pada sumbu real (σ) didapat dari ( # pole - # zero)
Asymptotes ,
- Titik pusat :
- Sudut antar asymptotes
Break-away point :
Sudut departure dan arrival
zp
m
i
i
n
i
i
C
zp
##
11
0,
180)2(
0,180)12(
Kuntukmn
l
Kuntukmn
l
o
o
)(
1
)(
1
ibibzp
θD = (#∟ zero - #∟ pole ) + 180 0.
θA = - (#∟ zero - #∟ pole ) + 1800
n = jumlah pole
m = jumlah zero
Ploting root-locus
)8)(4()3212(
)()()3212(2
2
sss
K
sss
KsY
s
KsYss
Kriteria Routh-Hurwitz
Teori Kestabilan : (Persamaan karakteristik orde n)
Agar supaya sistem stabil maka akar-akar (pole) pers.karakteristik harus berada pada sebelah kiri sumbu imajiner , pada bidang kompleks.
Routh Test : jumlah akar-akar persamaan karakteristik yang terletak disebelah kanan sumbu imajiner bid.kompleks = jumlah perubahan tanda pada koef. Lajur pertama pada deret Routh.
Kriteria kestabilan berdasarkan posisi pole
terhadap sumbu imaginer.
Tabel Routh
Contoh Tabel Routh :
Menentukan batas kestabilan
berdasarkan Tabel Routh.
Contoh :Routh-Hurwitz test : s3 + 12 s2 + 32 s + K = 0
S3 1 32
S2 12 K
S1 382- K 0
12
S0 K
Agar sistem stabil :
0 < K < 382
Sistem Kompensasi KestabilanUntuk menstabilkan sistem kendali yang kinerjanya kurang baik dapat dilakukan dengan memasang rangkaian kompensator, yaitu berbentuk rangkaian pasif filter RC, yang meliputi
1. Lag compensator
2. Lead compensator
3. Lead-lag compensator
4. PI (Proportional plus Integral) Compensator
5. PD (Proportional plus Differensial) Compensator
6. PID (Proportional plus Integral plusDifferensial) Compensator
Selain itu dapat juga digunakan rangk. kompen-sator aktif, misalnya operational-amplifier.
Perbaikan Kinerja Sistem Kendali
Perbaikan kinerja meliputi :
1. Memperbaiki Steady-state
error (menambahkan : PI, Lag, PID, Lag-Lead Compensator)
2. Memperbaiki Transient response ( menambahkan PD, Lead, PID, Lag-Lead Compensator )
Kompensator Rangkaian pasif untuk sistem Kendali
Lag- Compensator
Lead-Compensator
Lead-Lag Compensator
)(
)()(
asb
bsasG
CRb
RRa
221
1,
1
)(
)()(
bs
assG
CRCRb
CRa
211
11,
1
))((
))(()(
21
21
asbs
bsassG
2121
22
2
11
1 ,1
,1
abbaCR
bCR
a
Kompensator Aktifdengan rangk. Operational
Amplifier
Kondisi Feedback Control System, sebelum dan sesudah
ditambah rangkaian kompensasi.
)4)(2( sss
K
)4)(2( sss
K
)3(
)1(
s
s
Sebelum ditambah
rangk. kompensator
Setelah ditambah rangk.
lead-compensator secara
seri.
Compensator
Root-Locus sebelum di kompensasi
( Range kestabilan 0< K < 48)
Root-Locus setelah di kompensasi
(Range kestabilan 0<K< 210)
Sistem Kendali Digital
Kenapa harus digital ?
Sistem SCADA (Supervisory Control and Data
Acquisition)
Sistem SCADA adalah merupakan kombinasi sistem
telemetry dan sistem akuisisi data.
SCADA mengumpulkan data/informasi melalui RTU
(remote terminal unit), mentransfer kembali ke pusat
analisis (master station), membawa hasil analisis
kembali ke unit-unit dan memberikan tindakan kontrol.
Untuk mengendalikan sistem secara terintegrasi
diperlukan jaringan komunikasi data antar pembangkit
tenaga listrik dan Pusat Pengatur Beban. Sistem ini
menggunakan teknologi SCADA, yang mengatur
sinkronisasi, pengaturan pembebanan dan sebagainya.
Sistem SCADA
Jaringan Komunikasi SCADA
Distributed Control System (DCS)
Struktur hardware RTU (Remote Terminal Unit)
Konsep PLC Ladder Logic
Sistem Token Ring
Sistem Priority
Point-to-point
Multipoint
Store and Forward
Referensi, gambar , kurva/diagram : Norman S.Nise : “ Control Systems Engineering”, 3rd ed;
John Wiley & Sons,Inc, New York, 2000.
Charles L. Phillips, H.Troy Nagle : “Digital Control System, Analysis and Design”, 3rd ed; Prentice Hall International, Inc., 1997.
Benyamin C. Kuo : “ Automatic Control Systems”, 3rd ed; Prentice Hall Inc, New Jersey, 1975.
Joseph J. DiStefano,III, et.al. : “Theory and Problem of Feedback and Control Systems”, Schaum’s Outline Series, McGraw-Hill Book Company, New York, 1967.
Katsuhiko Ogata : “ Solving Control Engineering Problem with Matlab”, Matlab Curriculum Series, Prentice Hall, New Jersey, 1994.
P.M. Anderson & A.A. Fouad : “ Power System Control and Stability” 2nd Edition, A John Wiley & Sons, Inc, 2003
SEKIAN
TERIMA KASIH
ATAS PERHATIAN