Studi Perbaikan Stabilitas Tegangan Kurva P-V pada Sistem Jawa-Bali 500kV dengan Pemasangan Kapasitor Bank Menggunakan Teori Sensitivitas

Transkripsi

1 Studi Perbaikan Stabilitas Tegangan Kurva P-V pada Sistem Jawa-Bali 500kV dengan Pemasangan Kapasitor Bank Menggunakan Teori Sensitivitas Tutuk Agung Sembogo Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Sukolilo Surabaya Abstrak Kebutuhan akan daya listrik saat ini semakin meningkat. Pembangunan pusat pembangkit juga bertambah. Sistem penyaluran daya listrik perlu ditingkatkan untuk memperoleh pelayanan yang maksimal. Tekanan yang tinggi pada sistem daya mengakibatkan banyak permasalahan besar seperti tegangan jatuh (voltage collapse) atau ketidakstabilan. Batas maksimum beban yang diizinkan pada sistem dalam batas tegangan stabilitas, biasanya ditentukan dari kurva P-V atau Q-V. Pada tugas akhir ini bertujuan untuk memperbaiki stabilitas tegangan terutama memperbaiki profil tegangan dengan pemasangan kapasitor bank di bus yang paling sensitif terhadap penambahan suatu beban P dan Q pada sistem kelistrikan Jawa-Bali 500kV. Besar kapasitas dari kapasitor bank meningkat sebanding dengan bertambahnya beban pada bus tersebut. Analisa stabilitas tegangan dapat dilakukan dengan metode kestabilan kurva P-V. Hasil kurva P-V sebelum dan sesudah pemasang kapasitor bank dapat dibandingkan, sehingga memperoleh perbaikan perbedaan kestabilan tegangan. Perbaikan tegangan dengan menggunakan kapasitor bank dapat memperbaiki factor daya pada jaringan tersebut. Analisa stabilitas tegangan kurva P-V ini dilakukan dengan software MATLAB. Keyword : Stabilitas Tegangan; Kurva P-V; aliran daya dan kapasitor bank I. PENDAHULUAN Pembebanan maksimum yang diizinkan pada sistem tenaga, dalam batas stabilitas tegangan, biasanya ditentukan dari kurva P-V atau Q-V. Simulasi dengan serangkaian computer diperlukan untuk menghasilkan kurva tersebut. Metode untuk menentukan batas stabilitas tegangan sistem adalah solusi multiple load flow, singularity criterion dengan matriks Jacobian dan lainlain. Karakteristik tegangan beban pada sistem sangat berpengaruh terhadap stabilitas tegangan. Beberapa penelitian telah melakukan percobaan tentang kestabilan suatu sistem. Kestabilan tegangan akan terganggu apabila keadaan beban meningkat dan suplai dari tenaga listrik yang tetap. Dengan merubah suatu besaran dari P dan Q kita dapat mengetahui keadaan tegangan pada jaringan. Dengan analisa kurva P-V dimana keadaan tegagan yang tetap dan beban yang berubah maka didapatkan suatu besaran tegangan. Beban berbanding terbalik dengan tegangan. Tujuan dari penelitian ini adalah dengan menggunakan analisa dari kurva P-V didapatkan batas steady state serta karakteristik dari sebuah sistem, sehingga dapat mengetahui bus yang paling sensitif terhadap penambahan beban. Dari bus tersebut dipasangkan kapasitor bank yang nantinya akan memperbaiki profil tegangan yang terjadi. II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Study Aliran Daya Studi aliran daya adalah studi yang dilakukan untuk mendapatkan informasi mengenai aliran daya atau tegangan sistem dalam kondisi operasi tunak. Informasi ini sangat dibutuhkan guna mengevaluasi unjuk kerja sistem tenaga dan menganalisis kondisi pembangkitan maupun pembebanan. Analisis ini juga memerlukan informasi aliran daya dalam kondisi normal maupun darurat. Masalah aliran daya mencakup perhitungan aliran daya dan tegangan sistem pada terminal tertentu atau bus tertentu. Di dalam studi aliran daya, bus-bus dibagi dalam 3 macam, yaitu : a. Slack bus atau swing bus. b. Voltage controlled bus atau bus generator. c. Load bus atau bus beban. Pada tiap-tiap bus hanya ada 2 macam besaran yang ditentukan sedangkan kedua besaran yang lain merupakan hasil akhir dari perhitungan. Besaran-besaran yang ditentukan itu adalah : a. Slack bus ; harga skalar V dan sudut fasanya θ. b. Voltge controlled bus; daya real P dan harga skalar tegangan V. c. Load bus; daya real P dan daya reaktif Q. Slack bus berfungsi untuk menyuplai kekurangan daya real P dan daya reaktif Q pada sistem. 2.2 Metode Newton Raphson Persamaan umum dari arus yang menuju bus adalah : Persamaan diatas bila ditulis dalam bentuk polar adalah : Daya kompleks pada bus i adalah : sehingga dengan mensubsitusikan persamaan di atas didapatkan : (1) (2) (3) Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 1

2 (4) (15) Pisahkan bagian riil dan imajiner : Nilai untuk elemen J4 adalah : (5) (16) (6) Nilai-nilai P dan Q dapat ditetapkan untuk semua bus kecuali slack bus dan memperkirakan besar dan sudut tegangan pada setiap bus kecuali slack bus yang mana besar dan sudut tegangan telah ditentukan. Nilai perkiraan ini akan digunakan untuk menghitung nilai P danq dengan menggunakan persamaan di atas, sehingga didapatkan : Pada slack bus nilai magnitude tegangan (V) dan sudut tegangan (δ) adalah tetap, sehingga tidak dilakukan perhitungan pada setiap iterasinya. Sedangkan pada generator bus, daya aktif (P) dan magnitude tegangan (V) bernilai tetap. Sehingga hanya daya reaktif yang dihitung pada setiap iterasinya. Matrik Jacobian terdiri dari turunan parsial Pdan Q terhadap masing-masing variabel dalam persamaan di atas. Dapat dituliskan sebagai berikut : Submatrik J1, J2, J3, J4 menunjukkan turunan parsial dari persamaan di atas terhadap δdan V yang bersesuaian, dan secara matetatis dapat dituliskan sebagai berikut : Nilai untuk elemen J1 adalah : (7) (8) (9) (17) Setelah seluruh persamaan diselesaikan, maka nilai koreksi magnitude dan sudut tegangan ditambahkan ke nilai sebelumnya. (18) (19) 2.3 Sensitivitas Tegangan Sensitivitas tegangan adalah keadaan dimana tegangan pada bus jika dilakukan penambahan beban, atau dengan keadaan normal dilakukan aliran day, keadaan beban pada bus eban tidak mengalami penurunan. Penurunan tegangan pada bus beban diakibatkan dengan adanya suatu penambahan beban (beban P dan Q). jika penambahan beban beban pada bus dan pada sumber listrik tidak dilakukan penambahan sumber, maka drop tegangan akan terjadi pada bus tersebut. Dengan melakukan perhitungan terhadap perubahan tegangan ( V) pada masing-masing bus beban, didapatkan suatu bus yang paling sensitive terhadap perubahan beban. Sehingga tegangan pada bus sensitive tersebut akan mengalami drop tegangan setiap penambahan beban P dan Q. Adapun persamaan drop tegangan pada bus adalah sebagai berikut: (10) (20) Nilai untuk elemen J2 adalah : Nilai untuk elemen J3 adalah : (11) (12) (13) (14) Dari persamaan 20 didapatkan: (21) 2.4 Kapasitor Bank Fungsi dari kapasitor bank yang tersedia dalam bentuk tunggal unit maupun dalam bentuk group adalah sebagai pensuply kilovars dengan faktor daya tertinggal (lagging) kepada suatu sistem dimana kapasitor tersebut dihubungkan. Kapasitor bank yang dipasang pada ujung beban dari sirkuit mensuplai beban dengan faktor daya tertinggal (lagging), mempunyai beberapa efek, yaitu : a. Mengurangi komponen rangkaian arus yang tertinggal b. Menaikkan level tegangan pada beban c. Memperbaiki regulasi tegangan d. Meningkatkan factor daya dari sumber Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 2

3 2.5 Koreksi Faktor Daya Pembangkitan daya reaktif pada perencanaan daya dan pensuplaiannya ke beban-beban yang berlokasi pada jarak yang jauh adalah tidak ekonomis, tetapi dapat dengan mudah disediakan oleh kapasitor yang ditempatkan pada pusat beban. Faktor daya merupakan perbandingan antara daya nyata (kw) dan daya semu (kva). Dari gambar dapat ditentukan bahwa faktor daya sebelum dan sesudah dipasang kapasitor adalah cos θ 1 dan cos θ 2. Setelah dipasang kapasitor, faktor daya menjadi : (27) Gambar 1. Ilustrasi dari perubahan daya nyata dan daya reaktif sebagai fungsi dari faktor daya beban, pada daya semu dari beban konstan. Dengan mengasumsikan beban disuplai dengan daya nyata (aktif) P, daya reaktif tertinggal Q1, dan daya semu S1, pada faktor daya tertinggal bahwa : atau ketika kapasitor shunt Qc kva dipasang pada beban, faktor daya dapat ditingkatkan dari cos θ1 ke cos θ2, dimana : Gambar 2. Ilustrasi dari koreksi faktor daya (22) (23) (24) (25) (26) Oleh karena itu, dapat dilihat dari gambar 2.b, daya semu dan daya reaktif menurun dari S1 kva menjadi S2 kva dan dari Q1 kvar menjadi Q2 kvar. Tentu saja, penurunan hasil daya reaktif dalam penurunan arus total, yang disebabkan oleh turunnya penyusutan daya. Dengan adanya perbaikan faktor daya, akan timbul pengurangan kva yang mengalir pada jaringan. Sehingga pada jaringan tersebut dapat ditambahkan sejumlah kva sebesar pengurangan kva yang terjadi. Tambahan kva ini merupakan selisih antara kva sebelum dipasang kapasitor dengan kva setelah dipasang kapasitor. (28) dimana : D = kva tambahan S = kva saat beban puncak sebelum dipasang kapasitor S = kva saat beban puncak setelah dipasang kapasitor P = Daya aktif Q 1= Daya reaktif Qc = Rating dari kapasitor (kvar) Dengan adanya kva tambahan pada suatu jaringan, akan menambah jumlah beban yang dapat ditanggung oleh jaringan tersebut. Hal ini merupakan suatu keuntungan, karena apabila ada tambahan beban pada daerah dimana jaringan itu berada, daya listriknya dapat dikirim melalui jaringan tersebut tanpa perlu membangun jaringan yang baru. III. DATA DAN METODOLOGI 3.1 Sistem Kelistrikan Jawa-Bali 500kV Interkoneksi sistem kelistrikan Jawa Bali 500kV yang digunakan untuk analisis stabilitas tegangan dapat digambarkan dengan single line diagram yang ditunjukkan oleh gambar 3. Total kapasitas pembangkitan pada Sistem Jawa-Bali adalah MW dan 4280.,97 MVAR dan menanggung beban 9068 MW dan 3558 MVAR pada tanggal 04 Maret 2009 pada saat beban puncak siang yaitu pukul Wib, dengan 8 unit generator dan 15 load bus. Dan selanjutnya simulasi menggunakan metode Newton-Raphson. Klasifikasi bus pada system tenaga listrik jawa-bali 500kVyang digunakan dalam penelitian ini adalah : a. 1 bus sebagai slack bus yaitu bus Suralaya yang merupakan pembangkit listrik tenaga uap, pada slack bus magnitude tegangan dan sudut phase ditetapkan. b. 7 Generator bus yaitu bus Cirata, Muara Tawar, Saguling, Gresik, Tanjung Jati, Grati dan Paiton. c. 15 Load bus yaitu bus Cawang, Bekasi, Cibatu, Bandung Selatan, Mandirancan, Ungaran, Surabaya Barat, Depok, Tasikmalaya,Pedan, Cilegon, Kembangan, Cibinong, Gandul dan Kediri. Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 3

4 Gambar 3. Sistem interkoneksi 500 kv jawa bali Tabel 1. data pembangkitan sistem interkoneksi 500 kv jawa bali NO BUS V LOAD MW MVAR MW MVAR GENERATOR Q MIN Q MAX Tabel 2. Data saluran sistem interkoneksi 500 kv jawa-bali Dari Bus Ke Bus R(pu) X(pu) B(pu) 1 2 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Metode Penelitian Gambar 4. Grafik Metode Penelitian Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 4

5 3.2.1 Pengumpulan Data Data-data yang dikumpulkan adalah data system kelistrikan jawa-bali 500kV. Data-data meliputi data pembangkitan dan data saluran dari masing-masing bus Analisa Load Flow Analisa Load Flow dilakukan menggunakan software MATLAB. Data- data yang telah didapatkan dimasukkan ke dalam program MATLAB load-flow. Dari hasil running program tersebut di dapatkan bus yang mengalami drop tegangan yang cukup tinggi, jika dilakukan penambahan beban P dan Q Kurva P-V seblum Pemasangan Kapasitor Bank Plot kurva P-V pada saat sebelum pemasangan kapasitor menunjukkan penurunan tegangan yang cukup tinggi Kurva P-V setelah Pemasangan Kapasitor Bank Pemasangan kapasitor bank dapat menaikkan tegangan pada bus yang mengalami drop tegangan. Plot kurva P-V menunjukkan keadaan tegangan setelah pemasangan kapasitor bank dengan penambahan beban P dan Q Profil Tegangan pada Bus Sensitif Profil tegangan pada bus sensitive akan terperbaiki, sehingga pada bus sensitive drop tegangan yang terjadi tidak terlalu besar Berdasarkan hasil simulasi pada tabel 4.3 dapat diperoleh bahwa profil tegangan pada masing-masing bus sudah berada pada rentang standar yang diizinkan yaitu 500KV dengan batasan ±5%. Tegangan (kv) Bus IV. SIMULASI DAN ANALISA 4.1 Aliran Daya Simulasi pada tugas akhir ini menggunakan MATLAB Perhitungan aliran daya disini menggunakan metode Newton Raphson untuk mengetahui kondisi awal dari sistem interkoneksi Jawa- Bali 500kV. Dan setelah running program, hasil load flow untuk tegangan sebagai berikut: Tabel 3. Hasil simulasi load flow untuk tegangan No Voltage Angle Load Bus Mag. Degree MW Mvar Gambar 5. Grafik Profil Tegangan Saat Kondisi Normal 4.2 Analisa Sensitifitas Tegangan Analisa sensitifitas tegangan pada system jaringan jawa-bali 500kV menggunakan analisa metode Newton Raphson. Dalam pembahasan ini dilakukan beberapa iterasi pada bus berbedan hingga mendapatkan bus yang memiliki nilai V yang besar. Adapun hasil tegangan dari masing-masing bus setelah dilakukan beberapa iterasi adalah sebagai berikut : Tabel 4. Hasil Tegangan Setelah Dilakukan Beberapa Iterasi Bus No. Vi1 (pu) Vi100 (pu) V (pu) V (kv) Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 5

6 Dari table diatas didapatkan bus yang memiliki drop tegangan lebih dari toleransi yang diberikan, yaitu bus13. Pada bus 13 tegangan yang mengalir saat keadaan normal adalah 491kV, setelah dilakukan iterasi ke-100 tegangan menjadi 472kV. 4.3 Kurva P-V Untuk menghasilkan grafik plot kurva P-V maka dilakukan penambahan daya aktif dan daya reaktif sebesar 50% dari keadaan semula pada bus 13, sehingga dapat dilihat perubahan tegangan yang terjadi pada bus. Hal ini dilakukan untuk mengetahui kestabilan tegangan suatu bus. Gambar 6. Grafik Kurva P-V bus Penentuan Kapasitas Kapasitor Bank Dalam penentuan besarnya kapasitas suatu kapasitor yang akan dipasang dapat menggunakan phasor diagram yang didapat dari data hasil simulasi. Tabel 5. Data kenaikan P dan Q No P (MW) Q (MVar) V (pu) Berdasarkan tabel diatas memperlihatkan hubungan antara tegangan dengan beban. Tegangan berbanding terbalik terhadap perubahan beban. Beban bus 13 adalah 350 MW menghasilkan tegangan di bus load sebesar 0,944 pu. Tegangan bus semakin turun akibat penambahan beban. Beban bus 13 sebesar 2800 MW menghasilkan tegangan sebesar 0.85 pu dan kondisi ini menyebabkan sistem Jawa-Bali tidak stabil. Gambar 7. Phasor Diagram untuk Menentukan kapasitas kapasitor. Berdasarkan diagram phasor tersebut maka untuk mendapatkan besarnya kapasitas kapasitor yang dipasang dapat dihitung dengan persamaan berikut: Faktor Daya = Daya Aktif (P) / Daya Nyata (S) = kw / kva = V.I Cos φ / V.I = Cos φ Untuk Kapasitas Kapasitor Bank Qc = Q awal Q akhir Dimana: Q awal = P tan θ 1 Q akhir = P tanθ 2 Tabel 6. Data Kapasitas Kapasitor Bank P (MW) Q (MVar) cosθ1 cosθ2 Qc Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 6

7 Setelah dilakukan penambahan kapasitor bank pada bus 13 yang mengalami drop tegangan dengan menaikkan beban P dan Q, maka profil tegangan pada bus 13 akan diperbaiki. Gambar 8. Grafik Kurva P-V Bus 13 Setelah Pemasangan Kapasitor Bank Sebelum dan Distribution Feeders. IEEE Trans On Power Apparatus and System. Vol. PAS-102, No. 1, January 1983, pp [4] Grainger, J.J., Lee, S.H Optimum Size and Location of Shunt Capacitors for Reduction of Losses on Distribution Feeders. IEEE Trans.. on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-100, No. 3, March [5]Hadi Saadat PowerSystem Analysis RIWAYAT PENULIS Tutuk Agung Sembogo, lahir di Probolinggo pada tanggal 23 Agustus merupakan anak ketiga dari tiga bersaudara. Penulis telah menempuh pendidikann formal di SDK Mater Dei II Probolinggo, SLTP Negeri 1 Probolinggo dan SMU Negeri 1 Probolinggo. Setelah Lulus dari SMU tahun 2005 kemudian penulis melanjutkan pendidikan D3 Program Studi Elekto Industri di ITS dan lulus pada tahun 2008 yang kemudian dilanjutkan ke pendidikan S1 program Lintas Jalur di jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya pada tahun 2008 dan terdaftar dengan NRP mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Berdasarkan pembahasan yang telah dilakukan dapat diambil beberapa kesimpukan sebagai berikut: 1. Penambahan beban P dan Q terhadap system jaringan jawa-bali 500kV dapat mengakibatkan penurunan tegangan yang relatife besar. 2. Dari hasil analisis stabilitas tegangan dengan teori sensitifitas didapatkan bus yang mengalami drop tegangan yang tinggi. 3. Pemasangan kapasitor bank pada bus sensitif akan menaikkan tegangan pada bus tersebut dan memperbaiki faktor dayanya. 4. Plot dari kurva P-V menunjukkan perbaikan tegangan, sehingga dapat ditentukan besar perbaikan tegangannya. 5. Sistem kestabilan tegangan sangat dipengaruhi dengan penambahan beban yang relatif tinggi. 5.2 Saran Pemasangan kapasitor bank pada bus yang mengalami drop tegangan jika beban dinaikkan perlu dioptimalkan karena dapet memperbaiki drop tegangan yang terjadi dan memperbaiki faktor daya. Sehingga dengan pemasangan kapasitor bank tersebut diharapkan dapat meningkatkan mutu daya pada sutu sistem jaringan. DAFTAR PUSTAKA [1] Soeprijanto, Adi, Modul Ajar Analisa Sistem Tenaga. [2] P. Kondur, Power Sistem Stability and Control, McGraw-Hill. [3] Fawzi, Tharwat H.,ct al. New Approach For The Application of Shunt Capasitor To The Primary Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 7