Perhitungan Critical Clearing Time dengan Menggunakan Metode Time Domain Simulation

Transkripsi

1 PROSEDING SEINAR TUGAS AKHIR TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS, JUNI Perhtungan Crtcal Clearng Tme dengan enggunakan etode Tme Doman Smulaton Surya Atmaja, Dr. Eng. Ardyono Pryad, ST,.Eng, Ir.Teguh Yuwono Jurusan Teknk Elektro, Fakultas Teknk Industr, Insttut Teknolog Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Aref Rahman Hakm, Surabaya E-mal: pryad@ee.ts.ac.d.teguh@ee.ts.ac.d. Abstrak Kebutuhan energ d duna makn lama n semakn bertambah, tdak terkecual dengan energ lstrk. Energ lstrk ddapatkan dengan mengubah energ knetk dar prme mover menjad energ lstrk oleh generator, dengan semakn banyaknya kebutuhan energ lstrk maka harus dbuatlah generator lan agar kekurangan energ lstrk dapat teratas. Generator tersebut salng berhubungan secara paralel d dalam sstem. Adanya hubungan paralel membuat setap generator harus bekerja snkron satu dengan yang lannya. Pada tugas akhr n membahas cara menghtung Crtcal Clearng Tme (CCT). CCT adalah waktu yang djnkan untuk memutus gangguan agar generator tdak mengalam lepas snkron. etode yang dpaka adalah metode Tme Doman Smulaton dengan sebaga pedomannya adalah perubahan dar sudut rotor generator sewaktu terjad gangguan dalam sstem, selan tu damat juga mengena adanya pengaruh dampng dalam kestablan sstem. Dar melakukan smulas dengan menggunakan program ATLAB. Hasl dar smulas n menunjukkan bahwa adanya dampng ddalam sstem menyebabkan membuat lebh stabl sstem, sehngga nla CCT antara sstem yang ber-dampng dengan sstem yang tdak menggunakan dampng memlk nla CCT yang lebh besar pada sstem yang menggunakan dampng. Kata kunc: Crtcal Clearng Tme (CCT), Tme Doman Smulaton, dampng, Kestablan sstem.. I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Kebutuhan energ lstrk semakn menngkat serng dengan menngkatnya pemanfaatan tenaga lstrk pada rumah tangga, ndustr, dan lan lan. Untuk mengatas hal tersebut, pasokan lstrk harus dtambah, yakn dengan pembangunan pembangkt lstrk baru. Dalam hal n, sstem tenaga lstrk terdr dar beberapa pembangkt dengan kapastas unt-unt pembangkt yang relatf besar dan terletak cukup berjauhan satu dengan yang lannya. Sehngga sstem harus djaga kestablannya berdasarkan parameter kestablan sudut rotor, kestablan frekuens, dan kestablan tegangan. Dalam tugas akhr n hanya membahas salah satu parameter kestablan dalam sstem tenaga lstrk, yatu kestablan sudut rotor. Stabltas adalah kemampuan dar generator untuk mempertahankan snkronsas dan kesembangan sstem. Keadaan snkron merupakan keadaan dmana selsh daya mekank dan daya elektrk dar generator sama dengan nol. Ketka adanya pelepasan beban maupun adanya penambahan beban, selsh antara daya mekank dan daya elektrk telah berubah. Hal n menyebabkan adanya percepatan atau perlambatan rotor. aka sudut rotor akan berubah, jka tdak segera datas akan menyebabkan adanya loss snkron pada generator. Akbat adanya perubahan konds kerja dar sstem n, maka keadaan sstem akan berubah dar keadaan lama ke keadaan baru. Perode sngkat d antara kedua keadaan tersebut dsebut perode paralhan atau transent. Stabltas transent ddasarkan pada konds kestablan ayunan pertama (frst swng) dengan perode waktu penyeldkan pada detk pertama terjadnya gangguan. Ketka ayunan pertama terjad, keadaan kontrol (governor) mash belum bekerja, sehngga daya mekank dasumskan konstan. Oleh karena tu, dperlukan suatu analsa sstem tenaga lstrk untuk menentukan kestablan sstem tersebut pada saat terjad gangguan, yatu dengan menentukan Crtcal Clearng Tme (CCT). etode yang dgunakan adalah Tme Doman Smulaton. B. Tujuan Tujuan yang hendak dcapa dalam tugas akhr n adalah untuk mengetahu cara menggunakan metode Tme Doman Smulaton dalam menentukan kestablan sstem, memperoleh besarnya nla CCT, dan memperoleh perbandngan besarnya CCT d sstem yang menggunakan dampng maupun yang tdak menggunakan dampng. C. Batasan asalah Permasalahan yang akan dbahas dalam Tugas Akhr n adalah : 1. Bagamana menggunakan Tme Doman Smulaton ethod untuk menentukan kestablan sstem tenaga lstrk. 2. enghtung besarnya CCT dalam sstem. 3. embandngkan besarnya CCT d sstem yang menggunakan dampng maupun yang tdak menggunakan dampng II. KESTABILAN A. Pengertan Kestablan Kestablan adalah kemampuan dar suatu sstem tenaga lstrk atau bagan komponennya untuk mempertahankan snkronsas dan kesembangan dalam sstem. Jka kerja

2 PROSEDING SEINAR TUGAS AKHIR TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS, JUNI generator tdak snkron, maka generator akan lepas dar sstem. Kerja generator yang stabl dapat damat dar selsh antara daya mekans dengan daya elektrs, dealnya dnamakan snkron jka daya mekans sama dengan daya elektrs (selshnya adalah nol). Jka terdapat kesembangan antara daya mekans pada prme mover dengan daya output lstrk (beban lstrk) pada sstem, maka dalam keadaan n semua generator berputar pada kecepatan snkron. B. Kestablan Sudut Rotor Kestablan sudut rotor adalah kemampuan dar mesn snkron untuk mempertahankan kesnkronannya dengan cara menjaga kesembangan antara tors mekank dengan tors elektrk. Sstem tenaga lstrk pada umumnya terdr atas nterkoneks antara mesn-mesn snkron. Pada operas normal, mesn-mesn tersebut bekerja dalam keadaan snkron, yatu berusaha untuk salng mempertahankan frekuens snkron dan mempertahankan perbedaan sudut daya konstan antara masng-masng mesn. Karakterstk yang palng pentng dalam kestablan tenaga lstrk adalah karakterstk hubungan daya dengan poss rotor pada mesn snkron. Hubungan tersebut merupakan hubungan yang non-lnear. Kestablan sudut dapat dbag menjad dua, yatu: 1. Small Sgnal Stablty Small Sgnal Stablty adalah kemampuan dar suatu sstem tenaga lstrk untuk mempertahankan snkronsas antara mesn-mesn dalam sstem sewaktu mengalam gangguan kecl. Gangguan tersebut dsebabkan oleh perubahan kecl d pembangkt dan beban. 2. Transent Stablty Kestablan Transent adalah kemampuan dar sstem tenaga lstrk mempertahankan snkronsasnya setelah mengalam gangguan besar yang bersfat mendadak selama sektar satu swng pertama dengan asums bahwa pengatur tegangan otomats atau AVR dan Governor belum bekerja. Gambar 1. Kurva Tors Versus Sudut Rotor Gambar 1. d atas merupakan gambar perubahan sudut rotor terhadap tors poros. Saat mesn snkron beroperas sebaga motor (sudut rotor dan tors postf), maka nla tors akan terus menngkat serng dengan penngkatan sudut rotor sampa δ R mencapa sudut 90 derajat, sebalknya setelah δ R mencapa sudut 90 derajat, maka nla tors akan menurun serng dengan menngkatnya sudut rotor. Dar penjelasan tersebut, dapat dlhat bahwa jka tors output yang dbutuhkan oleh suatu motor snkron dnakkan hngga nla sudut rotornya melebh 90 derajat, maka akan dapat menmbulkan pole slp pada motor. Selama tors beban tdak dturunkan hngga mencapa nla d bawah pullout torque, maka motor akan tetap terus mengalam pole slp dan dapat lepas snkronsas dengan sstem supla sehngga menjad tdak stabl. Demkan pula untuk operas generator, dengan menakkan tors nput generator sampa sudut rotor mencapa nla lebh dar 90 derajat, dengan asums beban lstrknya konstan, dapat menyebabkan tmbulnya pole slppng pada generator yang berakbat pada hlangnya kesnkronan generator terhadap sstem. Penjelasan d atas menunjukkan bahwa perubahan bertahap pada konds sstem dapat mempengaruh sudut tors, sehngga pendekatan untuk konds steady state akan selalu ada. Apabla d sstem terdapat perubahan mendadak pada salah satu atau lebh dar parameter pada persamaan tors d atas maka akan dapat menyebabkan nla steady state sudut rotor dapat melebh 90 derajat dan nla ayunan transen sudut rotornya melebh 180 derajat. Jka hal tersebut terjad dan sumber gangguan tdak segera dhlangkan maka berakbat pada hlangnya kesnkronan. Akan tetap apabla nla overshoot dar ayunan transen mesn tdak sempat melebh 180 derajat maka mesn akan tetap dalam keadaan snkron. Hanya saja sudut rotor mesn akan mengalam oslas dengan tujuan untuk mengurang ayunan yang terjad hngga sudut rotor dapat berhent pada nla kurang dar 90 derajat. Oslas sudut rotor yang terjad akan dredam oleh beban-beban elektrk, beban mekank serta rug-rug elektrk yang terdapat pada mesn dan sstem. Adanya perubahan sudut rotor mesn, membutuhkan juga perubahan kecepatan pada rotor. Sebaga contoh, jka kta mengasumskan bahwa frekuens medan stator konstan, maka kta perlu untuk setdaknya memperlambat sejenak rotor motor snkron agar medan rotornya dapat tertnggal dar medan stator sehngga fluks celah udara (Φ R ) menngkat. Rata-rata perubahan kecepatan rotor dtentukan oleh besarnya momen nersa dar rotor dan beban mekans yang terkopel pada rotor. Beban mekans yang dmaksud dapat berupa penggerak utama, beban, reducton gear, dan lan-lan. esn dengan nersa yang tngg akan lebh cendurung untuk menjad stabl ketka terjad gangguan darpada mesn yang memlk nersa rendah. C. Crtcal Clearng Tme (CCT) Crtcal Clearng Tme (CCT) adalah waktu yang djnkan untuk memutus gangguan agar generator tdak mengalam lepas snkron, atau dengan kata lan generator tetap snkron jka tdak melebh CCT dan akan lepas snkron jka melebh CCT. Kecenderungan sstem tenaga lstrk adalah usaha untuk kembal ke keadaan semula sepert sewaktu sebelum adanya gangguan dengan membuat daya yang sama atau lebh besar dar daya yang dsebabkan oleh gangguan yang dsebut dengan stablty. Jka dengan daya yang dkeluarkan sstem membuat semua generator tetap snkron maka sstem tersebut dkatakan stabl. Dalam sstem ada waktu krts atau d sebut dengan Crtcal Clearng Tme (CCT).

3 PROSEDING SEINAR TUGAS AKHIR TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS, JUNI III. ETODOLOGI Dalam tugas akhr n, smulas program menggunakan alur sepert flowchart d bawah n: IV. ANALISA DAN SIULASI A. Permodelan Sstem Sstem yang dgunakan dalam perhtungan Crtcal Clearng Tme (CCT) menggunakan sstem nterkoneks 500 kv Jawa Bal dan sstem 3 generator 9 bus Fouad dan Anderson. Dar kedua sstem tenaga lstrk tersebut akan dbandngkan hasl perhtungan CCT dan hasl perhtungan yang dpengaruh oleh adanya dampng pada sstem. Perhtungan CCT ddasarkan pada saluran yang mengalam gangguan, yatu dengan menganalsa besarnya CCT yang ddapatkan d setap ttk gangguan. Ttk gangguan dplh secara acak, pada sstem nterkoneks 500 kv Jawa-Bal terdapat 16 ttk gangguan, dan pada sstem 3 generator 9 bus Fouad dan Anderson terdapat 9 ttk gangguan. B. Sstem Interkoneks 500 kv Jawa-Bal Sstem nterkoneks 500 kv Jawa Bal terdr atas 23 bus dengan 28 saluran dan 8 pembangkt. Pembangkt-pembangkt yang terpasang antara lan pembangkt Suralaya, pembangkt uaratawar, pembangkt Crata, pembangkt Sagulng, pembangkt Tanjungjat, pembangkt Gresk, pembangkt Paton, dan Pembangkt Grat. Gambar 2. Dagram alr etode Tme Doman Smulaton CCT dapat dcar dengan beberapa tahapan, yatu dengan Load Flow dan persamaan ayunan COA. Pada Load Flow, hasl yang ddapatkan adalah tegangan tap bus. Kemudan dar tegangan d bus generator, ddapatkan tegangan nternal generator. Tegangan nternal generator dgunakan untuk mencar daya mekank dan daya elektrk generator yang nantnya masuk ke rumusan ayunan COA dmana rumusan COA adalah: Pm Pe PCOA D Dmana : = omen Inersa generator ke- = Kecepatan rotor generator ke- P m = Daya mekank generator ke- P = Daya elektrk generator ke- e Dar rumusan COA ddapatkan T yang kemudan dhtung ke dalam Rumusan Runge Kutta untuk ddapatkan hasl ntegras yang berupa. Kemudan dplot terhadap untuk memperoleh nla CCT. Hasl analsa akan dbahas pada bab IV. Gambar 3. Sngle lne dagram sstem nterkoneks Jawa-Bal 500 kv Semua parameter yang dgunakan dalam smulas pada Sstem nterkoneks 500 kv Jawa Bal terdapat pada tabel 1 dan tabel 2.

4 PROSEDING SEINAR TUGAS AKHIR TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS, JUNI Tabel 1. Data Generator BUS GEN r x H 1 0 0, , , , , , , , , , , , , , , , Gambar 5. Grafk delta terhadap waktu d ttk A sstem menggunakan dampng dengan CCT Tabel 2. Data Saluran Sstem nterkoneks 500 kv Jawa-Bal DARI KE r x 1 / 2 Bc 1 2 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Hasl Grafk Smulas Nla CCT ddapatkan antara waktu stabl denganwaktu tdak stabl. Hal n dapat d lhat pada gambar 4. Gambar 6. Grafk delta terhadap waktu d ttk A sstem tanpa dampng dengan CCT Gambar 7. Grafk omega terhadap waktu d ttk A sstem stabl menggunakan dampng dengan CCT Gambar 8. Grafk omega terhadap waktu d ttk A sstem tdak stabl menggunakan dampng dengan CCT Gambar 4. Grafk omega terhadap delta d ttk A Gambar 9. Grafk omega terhadap waktu d ttk A sstem stabl tanpa dampng dengan CCT

5 PROSEDING SEINAR TUGAS AKHIR TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS, JUNI Gambar 10. Grafk omega terhadap waktu d ttk A sstem tdak stabl tanpa dampng dengan CCT Berdasarkan gambar 5 dan 6, hasl smulas sstem Jawa- Bal 500 kv ddapatkan bahwa adanya dampng dapat memperkecl perubahan dar sudut rotor pada setap kenakan waktu, sehngga lebh menstablkan generator. Hal n dtunjukkan dar lebh lamanya hasl CCT. Berdasarkan hasl smulas, ddapatkan bahwa pada sstem yang menggunakan dampng, kecepatan setelah gangguan akan teredam, sehngga mempercepat menuju kestablan. 2. Hasl CCT Semua Ttk Smulas dcoba pada ttk yang lan sehngga ddapatkan hasl sepert pada tabel 3. Pada tabel 3 dapat danalsa pada ttk yang sama tetap dengan konds yang berbeda yatu dengan adanya pengaruh dampng, bahwa nla CCT yang ddapatkan pada sstem yang menggunakan dampng lebh lama dbandngkan dengan sstem yang tdak menggunakan dampng. Tabel 3. Hasl perhtungan CCT Sstem Interkoneks Jawa-Bal 500 kv SISTE JAWA-BALI 500kV TITIK GANGGUAN CCT WAKTU SIULASI TANPA A B C D E F G H I J K L N O P TANPA Gambar 11. Sngle lne dagram sstem 3 generator 9 bus Semua parameter yang dgunakan dalam smulas pada Sstem 3 generator 9 bus terdapat pada tabel 4 dan tabel 5. Tabel 4. Data generator Sstem 3 generator 9 bus BUS GEN R X DARI BUS Tabel 5.. Data saluran Sstem 3 generator 9 bus KE BUS R X 1/2Bc Hasl Grafk Smulas Hasl grafk ssmulas pada sstem 3 generator d ttk A, sepert pada sstem Jawa-Bal,CCT ddapat terdapat grafk stabl pada waktu stabl dan grafk tdak stabl pada waktu tdak stabl,sepert pada gambar 12. C. Sstem 3 generator 9 bus Sstem 3 Generator 9 Bus terdr atas 9 bus dengan 9 saluran dan 3 pembangkt. Dambl 9 ttk gangguan d salurannya secara acak. Gambar 12. Grafk omega terhadap deltad ttk A

6 PROSEDING SEINAR TUGAS AKHIR TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS, JUNI Gambar 13. Grafk delta terhadap waktu d ttk A sstem menggunakan dampng dengan CCT Gambar 14. Grafk delta terhadap waktu d ttk A sstem tanpa dampng dengan CCT generator 9 bus ddapatkan bahwa adanya dampng dapat memperkecl perubahan dar sudut rotor pada setap kenakan waktu, sehngga lebh menstablkan generator. Hal n dtunjukkan dar lebh lamanya hasl CCT. Berdasarkan hasl smulas, ddapatkan bahwa pada sstem yang menggunakan dampng, kecepatan setelah gangguan akan teredam, sehngga mempercepat menuju kestablan. 2. Hasl CCT Semua Ttk Smulas dcoba pada ttk yang lan sehngga ddapatkan hasl sepert pada tabel 6. Pada tabel 6 dapat danalsa pada ttk yang sama tetap dengan konds yang berbeda yatu dengan adanya pengaruh dampng, bahwa nla CCT yang ddapatkan pada sstem yang menggunakan dampng lebh lama dbandngkan dengan sstem yang tdak menggunakan dampng. Tabel 6. Hasl perhtungan CCT Sstem 3 generator 9 bus SISTE 3 GENERATOR 9 BUS Gambar 15. Grafk omega terhadap waktu d ttk A sstem stabl menggunakan dampng dengan CCT TITIK GANGGUAN CCT TANPA WAKTU SIULASI TANPA A B C D E F G H I Gambar 16. Grafk omega terhadap waktu d ttk A sstem tdak stabl menggunakan dampng dengan CCT Gambar 17. Grafk omega terhadap waktu d ttk A sstem stabl tanpa menggunakan dampng dengan CCT V. KESIPULAN 1. etode Tme doman Smulaton hanya bsa dgunakan dengan cara tral error. encoba dengan mengubah besarnya waktu stabl dengan waktu tdak stabl. 2. Nla CCT semakn besar bla sstem memlk dampng. Sstem Jawa Bal tanpa menggunakan dampng ttk A S S, sedangkan yang menggunakan dampng CCT ttk A S S, 3. Sstem Tenaga lstrk akan semakn stabl bla sstem mempunya dampng, dlhat dar semakn lamanya CCT pada sstem berdampng dbandng sstem tdak menggunakan dampng. Gambar 18. Grafk omega terhadap waktu d ttk A sstem tdak stabl tanpa dampng dengan CCT Berdasarkan gambar 13 dan 14, hasl smulas sstem 3 DAFTAR PUSTAKA [1] Granger, John J., dan Stevenson, Wllam D Jr., Power System Analyss, Sngapura, cgraw-hll, Inc, [2] Saadat, Had., Power System Analyss, Sngapura, cgraw-hll, Inc, 2004, eds kedua. [3] Zuhal, Dasar Teknk Tenaga Lstrk Dan Elektronka Daya, Jakarta, PT Grameda Pustaka Utama, 1995, eds kelma. [4] Kmbark, Edward Wlson. Power System Stablty : Synchronous achnes. Dover Publcatons, Inc, new York [5] P. Kundur, Power System Stablty and Control, cgraw Hll,1994.