Analisis Stabilitas Transien dan Pelepasan Beban di Perusahaan Minyak Nabati

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Analisis Stabilitas Transien dan Pelepasan Beban di Perusahaan Minyak Nabati Wijaya Khisbulloh, Ardyono Priyadi, dan Ontoseno Penangsang Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya wijaya_q@elect-eng.its.ac.id, priyadi@ee.its.ac.id, ontosenop@ee.its.ac.id Abstrak Penambahan beban listrik pada Perusahaan Minyak Nabati mengakibatkan adanya penambahan pembangkit 6.4 MW dan 10 MW, serta penambahan suplai dari grid. Total beban pada kondisi beban puncak sebesar 40,852 MW dan pada kondisi ekstrim sebesar 60,088 MW. Sehingga perlu dilakukan simulasi dan analisis ulang pada sistem kelistrikan yang ada. Pada tugas akhir ini simulasi dilakukan pada kedua kondisi pembebanan yakni peak load Condition dan Extreme condition pada sistem kelistrikan tersebut. Studi dan analisis yang dilakukan adalah studi lepasnya generator, motor starting, hubung singkat, dan suplai grid lepas dari sistem. Dari hasil simulasi dan analisa, didapatkan kesimpulan bahwa pada kasus lepas generator, apabila grid masih terhubung dengan sistem, maka frekuensi sistem akan bagus, dikarenakan daya yang hilang dari lepasnya generator tersebut, disubstitusi oleh grid. Oleh karena itu perlu dilakukan tindakan lebih lanjut seperti pelepasan beban, agar trafo daya yang dilalui daya dari grid tidak kelebihan beban. Selain itu, apabila sistem tidak terhubung dengan grid, ketika terjadi lepas generator, frekuensi sistem akan turun, sehingga perlu dilakukan pelepasan beban untuk menjaga frekuensi sistem agar kembali normal. Seperti kasus lepasnya generator 15 MW pada kondisi beban puncak, maka agar frekuensi sistem kembali stabil, dilakukan pelepasan beban sebesar 9,398 MW dalam dua tahap berdasarkan standar ANSI/IEEE Std C Kata Kunci Frekuensi, Kestabilan Transien, Lepas Generator, Pelepasan Beban. I. PENDAHULUAN danya rencana pengembangan sistem kelistrikan fase 2, Amengakibatkan adanya penambahan beban dan penambahan pembangkit listrik berupa Gas Turbine Generator (GTG) dengan kapasitas 10 MW dan 6.4 MW serta suplai tambahan dari grid sebesar 13 MVA. Oleh karena itu, perlu dilakukan analisis ulang tentang kestabilan, keandalan sistem kelistrikan dan kontinuitas suplai daya listrik untuk mendukung proses produksinya. Dalam sistem tenaga listrik, dibutuhkan keseimbangan antara daya mekanik dan daya elektrik [6]. Daya mekanik berupa penggerak awal generator (Prime Mover) sedangkan daya elektrik dipengaruhi oleh beban listrik. Setiap perubahan beban listrik harus diikuti dengan perubahan daya mekanik berupa perubahan daya pada penggerak awal generator. Jika daya mekanik pada poros penggerak tidak dengan segera menyesuaikan daya elektrik pada beban listrik, maka frekuensi dan tegangan akan bergeser dari posisi normal dan menyebabkan sistem tidak stabil. Beberapa kondisi yang menyebabkan sistem menjadi tidak stabil antara lain gangguan hubung singkat pada saluran transmisi, generator lepas, perubahan beban secara tiba-tiba atau switching saluran [3]. Untuk jenis gangguan seperti disebutkan di atas, terkadang memerlukan tindakan lebih lanjut agar sistem kembali stabil dan bekerja optimal. Salah satu tindakan yang harus dilakukan adalah melakukan pelepasan beban (load shedding). II. KESTABILAN SISTEM TENAGA LISTRIK A. Definisi Kestabilan Stabilitas sistem tenaga dapat secara luas didefinisikan sebagai properti dari sistem tenaga yang memungkinkan untuk tetap berada dalam keadaan seimbang dalam kondisi operasi dibawah normal dan dapat kembali mencapai keadaan yang seimbang lagi setelah mengalami gangguan [1]. B. Analisis Kestabilan Sistem Tenaga Listrik Dalam keadaan operasi yang stabil dari sistem tenaga listrik, terdapat keseimbangan antara daya input mekanis pada prime mover dengan daya output listrik (beban listrik) pada sistem. Dalam keadaan ini semua generator berputar pada kecepatan sinkron.[1] Namun sistem tidak selalu berjalan dengan stabil, dimana sistem selalu mengalami gangguan. Gangguan tersebut dapat diakibatkan oleh gangguan kecil maupun besar. Gangguan kecil terjadi akibat perubahan beban secara kontinyu, dan sistem selalu berusaha untuk bertahan pada kondisi tersebut. Sedangkan yang termasuk gangguan besar adalah hubung singkat, hilangnya daya dari generator atau beban secara tiba tiba dengan kapasitas besar. Bila sistem tidak dapat mengatasi gangguan besar maka sistem akan kehilangan posisi sinkronnya. Dan hal ini yang akan menyebabkan rotor dari mesin sinkron berayun karena adanya torsi yang mengakibatkan percepatan atau perlambatan pada rotor tersebut [1]. Kestabilan dibagi menjadi tiga yaitu : 1. Rotor angle stability. 2. Voltage stability and Voltage Collapse. 3. Frequency stability. C. Persamaan Ayunan [3] Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu mesin serempak didasarkan pada prinsip dasar dinamika yang menyatakan bahwa momen putar percepatan (accelerating torque) adalah hasil kali dari momen-momen kelembaman (moment of inertia) rotor dan percepatan sudutnya. Dalam sistem unit MKS dan untuk generator serempak persamaan ini dapat ditulis dalam bentuk [3]:

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) θ m 2 d J = Ta = Tm Te (1) dt Penjelasan simbol-simbol dari rumus diatas antara lain: J = Momen kelembaman total dari massa rotor dalam kg-m 2 θ m = Pergeseran sudut dari rotor terhadap suatu sumbu yang diam (stationary), dalam radian mekanis. t = Waktu (detik) T a = Momen putar percepatan bersih (Nm) T = Momen putar mekanis atau poros (penggerak) yang diberikan oleh penggerak mula dikurangi dengan momen putar perlambatan (retarding) yang disebabkan oleh rugi-rugi perputaran (Nm). T e = Momen putar elektris atau elektromagnetis bersih (Nm) Momen putar mekanis T m dan momen putaran elektris T e dianggap positif untuk mesin sinkron. Ini berarti bahwa T m adalah resultan momen putar poros yang mempunyai kecenderungan untuk mempercepat rotor dalam arah putaran yang positif. Untuk generator yang bekerja dalam keadaan tetap T m dan T e adalah sama sehingga momen putar T a bernilai sama dengan nol. Dalam keadaan ini tidak ada percepatan atau perlambatan yang terjadi terhadap massa rotor dan kecepatan tetap resultan merupakan kecepatan sinkron. Massa yang berputar, meliputi rotor dari generator dan prime mover, dikatakan bekerja dalam keadaan serempak dengan mesin-mesin lainnya yang bekerja pada kecepatan sinkron dalam sistem daya tersebut. Dalam data mesin untuk kestabilan transien terdapat suatu konstanta yang sering dijumpai yang inersia mesin (H) yang satunya adalah kw.s/kva. Konstanta H dapat didefinisikan sebagai Jω 10 H = 2 kva dimana ω = 2πn dan n adalah kecepatan dari mesin D. Gangguan yang Dapat Mempengaruhi Kestabilan Sistem Terdapat beberapa gangguan yang dapat mempengaruhi suatu sistem tenaga listrik. Gangguan tersebut antara lain: 1. Gangguan Hubung Singkat. 2. Starting Motor 3. Penambahan beban secara tiba-tiba. 4. Lepas Generator. (2) III. SISTEM KELISTRIKAN PERUSAHAAN MINYAK NABATI PWS-STG-01 (15 MW) PWS-DG-01 PWS-DG-02 GRID (13 MVA) PWS-NGT-01 PWS-STG-02 (15 MW) Future Gen Gambar. 1. Diagram Satu Garis (Single Line Diagram) Gambar 1 diatas menunjukkan diagram satu garis (Single Line Diagram) sistem kelistrikan di Perusahaan Minyak Nabati. Pada sistem kelistrikan di Perusahaan Minyak Nabati, terdapat 7 sumber utama suplai daya listrik. Adapun ketujuh suplai tersebut dapat dilihat pada tabel 1 dibawah ini. Tabel 1. Data generator dan GRID ID Jenis Rating Daya BKR-GRID Grid GRID 13 MVA PWS-STG-01 STG 15 MW PWS-STG-02 STG 15 MW PWS-NGT-01 GTG 6.4 MW Future Generator GTG 10 MW PWS-DG-01 DG 1.5 MW PWS-DG-02 DG 1.5 MW IV. SIMULASI DAN ANALISIS Sistem kelistrikan di Perusahaan minyak Nabati dimodelkan dengan menggunakan software dan dibuat menyerupai kondisi riil di lapangan. Hal ini dilakukan agar hasil perhitungan dan analisis dapat memberikan nilai yang sesungguhnya agar bisa dijadikan rekomendasi di lapangan. Setelah didapatkan pemodelan sistem kelistrikannya dengan menggunakan software, maka selanjutnya akan dilakukan simulasi stabilitas transien pada sistem kelistrikan di Perusahaan Minyak Nabati sesuai dengan studi kasus yang ada. Adapun untuk studi kelistrikan di Perusahaan minyak nabati akan disimulasikan dalam dua kondisi. Kedua kondisi tersebut antara lain: 1. Kondisi Beban ekstrim (Extreme Load Condition ) 2. Kondisi Beban puncak (Peak Load Condition) Pada setiap kondisi pembebanan dilakukan simulasi dengan kasus yang berbeda beda. A. Kondisi Pembebanan Ekstrim Kasus yang terdapat pada kondisi pembebanan ekstrim dijelaskan pada tabel 2 dibawah ini.

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Tabel 2. Studi kasus Analisis Stabilitas Transien pada Kondisi Pembebanan Ekstrim 98.7 % Nama Kasus Keterangan Gen_Trip_15 Generator PWS-STG-02 (15 MW) Trip Gen_15_LS Gen_Trip_15 dan Pelepasan beban Gen_Trip_10 Generator Future Generator (10 MW) Trip Gen_10_LS Gen_Trip_10 dan Pelepasan beban Gen_Trip_6.4 Generator PWS-NGT-01 (6.4 MW) Trip Gen_6.4_LS Gen_Trip_6.4 dan Pelepasan beban GRID_Trip Suplai GRID (13 MVA) Trip GRID_Trip_LS1 GRID_Trip dan Pelepasan beban Tahap 1 GRID_Trip_LS2 GRID_Trip_LS1 dan Pelepasan beban Tahap 2 SC_10.5_kV Hubung Singkat di Bus 10.5 kv SC_10.5_LS Open CB Proteksi arus Lebih SC_3.3_kV Hubung Singkat di Bus 3.3 kv MS_1 Motor Starting 1600 kw dengan starter MS_2 Motor Starting 355 kw secara DOL Sedangkan berdasarkan studi aliran daya yang dilakukan pada kondisi pembebanan ekstrim didapatkan data seperti pada tabel dibawah ini. Tabel 3. Total pembangkitan, pembebanan dan kebutuhan beban kondisi beban ekstrim MW Mvar MVA % PF Source (Swing Buses): Lagging Source (Non- Swing Buses): Lagging Total Demand: Lagging Total Motor Load: Lagging Total Static Load: Leading Studi kasus Gen_Trip_15 Pada saat dilakukan studi kasus Gen_Trip_15 dengan software ETAP didapatkan respon frekuensi seperti pada gambar 2 dan respon tegangan seperti yang terlihat pada gambar 3. Dari kedua gambar dapat dilihat bahwa frekuensi sistem masih stabil dan memenuhi standar. Namun ketika dilihat arus dan daya yang diserap dari GRID, ternyata melebihi batas daya dan arus yang diizinkan atau melebihi kontrak. Sehingga perlu dilakukan tindakan lebih lanjut agar kelebihan arus dan daya ini dapat ditanggulangi dan diatasi % Gambar. 3. Respon Tegangan beberapa bus saat kasus Gen_Trip_ % Gambar. 4. Arus yang diserap sistem dari GRID Berikut ini adalah spesifikasi setting rele overload yang dimiliki oleh Grid x In (Trip dalam waktu : > 60 menit) x In (Trip dalam waktu : < 20 menit) x In (Trip dalam waktu : < 10 menit) x In (Trip dalam waktu : koord dengan setting OCR trafo). Dari grafik diatas didapatkan data arus yang mengalir di kabel sgr.madu-wilmar naik dari 382 A menjadi 812 A atau naik sebesar %. Jika ini terus dibiarkan maka GRID akan Trip. Sehingga sistem kelistrikan akan kehilangan daya lebih besar lagi. Selain itu yang perlu diperhatikan juga adalah kapasitas daya trafo. Trafo SP-TRF dan SP-TRF milik perusahaan yang berhubungan langsung dengan kabel dari Grid GRID mengalami overload. Gambar 5 dibawah ini menunjukkan grafik daya yang mealui kedua trafo tersebut. 100 % 145 % 152 % Gambar. 2. Respon Frekuensi saat kasus Gen_Trip_15 Gambar 5. Grafik daya yang melalui Trafo saat case Gen_Trip_15 Dari grafik diatas didapat keterangan bahwa, trafo SP- TRF yang berkapasitas 6.5 MVA mengalami overload sebesar 152 % menjadi 9.92 MVA, sedangkan trafo SP-TRF mengalami overload sebesar 145 %

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) dari 12 MVA menjadi MVA. Jika overload ini dibiarkan maka akan menyebabkan kerusakan pada trafo. Oleh karena itu perlu dilakukan pelepasan beban agar halhal yang tidak diinginkan seperti grid Trip atau Trafo SP- TRF dan SP-TRF rusak. Studi kasus Gen_15_LS Pada kasus ini, dilakukan load shedding sebesar MW saat t=1.3 detik atau 0.3 detik setelah generator trip. Berikut ini adalah respon frekuensi dan tegangan setelah terjadi pelepasan beban. 100 % Gambar 6. Frekuensi sistem setelah Load Shedding (kasus Gen_15_LS) Sedangkan tegangan bus setelah pelepasan beban dapat dilihat pada gambar 7 dibawah ini 97.8 % 97.8 % Dari grafik pada gambar 8 dapat dilihat bahwa pembebanan pada kedua trafo telah kembali normal lagi dan tidak terjadi overload, sehingga dapt diambil kesimpulan bahwa sistem kembali stabil dan keadalan sistem juga terjaga. B. Kondisi Pembebanan Puncak Kasus yang terdapat pada kondisi pembebanan puncak dijelaskan pada tabel 4 dibawah ini. Sedangkan berdasarkan studi aliran daya yang dilakukan pada kondisi pembebanan ekstrim didapatkan data seperti pada tabel 5. Tabel 5. Total pembangkitan, pembebanan dan kebutuhan beban kondisi beban puncak MW Mvar MVA % PF Source (Swing Lagging Buses): Source (Non Lagging Swing Buses): Total Demand: Lagging Total Motor Load: Lagging - Total Static Load: Leading Tabel 4. Studi kasus Analisis Stabilitas Transien pada Kondisi Pembebanan Puncak Nama Kasus Keterangan Gen _15 Generator PWS-STG-02 (15 MW) Trip Gen_15+LS1 Gen_Trip_15 dan Pelepasan beban tahap 1 Gen_15+LS2 Gen_Trip_15 dan Pelepasan beban tahap 2 Gen _10 Generator Future Generator (10 MW) Trip Gen_10+LS1 Gen_Trip_10 dan Pelepasan beban Gen_6.4 Generator PWS-NGT-01 (6.4 MW) Trip Gen_6.4+LS Gen_Trip_6.4 dan Pelepasan beban SC_10.5kV Hubung Singkat di Bus 10.5 kv SC_10.5+LS Open CB Proteksi arus Lebih SC_3.3kV Hubung Singkat di Bus 3.3 kv MS_1 Motor Starting 1600 kw dengan starter MS_2 Motor Starting 355 kw secara DOL Gambar 7. Tegangan sistem setelah Load Shedding (kasus Gen_15_LS) Setelah dilakukan pelepasan beban maka tegangan bus telah kembali ke standar yang diizinkan. Sehingga dapat dikatakan tegangan telah stabil dan memenuhi standar. Sedangkan untuk pembebanan trafo SP-TRF dan SP-TRF yang mengalami overload, setelah dilakukan pelepasan beban maka grafik pembebanannya setelah pelepasan beban dapat dilihat di Gambar 8 dibawah ini. Studi kasus Gen _15 Pada studi kasus ini, dilakukan simulasi lepasnya generator PWS-STG-02 sebesar 15 MW dari sistem. Akibat adanya gangguan tersebut, maka frekuensi dan tegangan sistem terganggu. Pada gambar 9 dan 10 di bawah ini dapat dilihat gambar respon frekuensi dan tegangan sistem saat terjadi gangguan. 8.3 MW 26.5% 4.58MW Gambar 9. Grafik frekuensi saat kasus Gen_15 Gambar 8. Grafik daya yang melalui Trafo saat case Gen_15_LS

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) C maka rele underfrequency bekerja saat t = 1,662 sekon saat frekuensi menyentuh angka % atau kurang. Setelah dilakukan pelepasan beban tahap dua, maka frekuensi sistem menjadi seperti pada gambar 12 di bawah ini. 79.4% Gambar 10. Grafik Tegangan saat kasus Gen_15 Dari grafik diatas dapat dilihat bahwa frekuensi tegangan dan sistem mengalami kondisi tidak stabil. Frekuensi sistem mengalami penurunan terus menerus dan tidak stabil, bahkan frekuensi sempat menyentuh angka 26.5 %. Begitu juga tegangan mengalami penurunan sampai menyentuh angka 78.5 %. Berdasarkan hasil simulasi, dapat diketahui bahwa sistem mengalami ketidakstabilan, sehingga perlu dilakukan tindakan lebih lanjut agar sistem dapat stabil kembali. Perlu diketahui bahwa pada kondisi pembebanan puncak, suplai hanya dari STG dan NGT saja, tanpa adanya suplai grid dan DG. Studi kasus Gen_15+LS1 Berdasarkan hasil simulasi saat generator PWS-STG-02 trip, maka terjadi penurunan frekuensi seperti yang ada pada gambar Berdasarkan standar ANSI/IEEE Std C , maka apabila terjadi penurunan frekuensi, maka rele underfreuency akan bekerja dan melakukan pelepasan beban agar frekuensi kembali stabil. Pada tahap pertama, dilakukan pelepasan beban saat frekuensi sistem menyentuh 98.8 % atau kurang pada saat t = sekon. Dilakukan pelepasan beban tahap satu yakni sebesar 4,461 MW. Sehingga didapatkan respon frekuensi seperti yang terlihat pada gambar 4.45 di bawah ini. Gambar 12. Grafik Frekuensi saat kasus Gen_15+LS 2 Setelah dilakukan pelepasan beban tahap dua, frekuensi sistem kembali ke kondisi yang diizinkan, yakni pada frekuensi %. Kemudian ditinjau tegangan sistem. Berdasarkan gambar 13, teganagn pada setiap sistem masih dalam kondisi yang diizinkan dan masih memenuhi standart yang diizinkan di Perusahaan Minyak Nabati. Dapat dilihat bahwa tegangan stabil di titik % pada bus Future Flour Mill, bus SP-BUS pada titik % dan % pada bus SP-BUS % 99.57% 100% Gambar 12. Grafik Tegangan saat kasus Gen_15+LS 2 Gambar 11. Grafik frekuensi saat kasus Gen_15 Ternyata, setelah dilakukan pelepasan beban tahap satu, frekuensi sistem masih belum stabil dan terus menerus turun. Oleh karena perlu dilakukan pelepasan beban tahap dua agar sistem kembali stabil. Studi kasus Gen_15+LS2 Dikarenakan pelepasan beban tahap satu tidak dapat mengembalikan frekuensi sistem kembali ke kondisi yang diizinkan, maka dilakukanlah pelepasan tahap dua. Pada pelepasan beban tahap dua, dilakukan pelepasan beban sebesar 4,937 MW. Berdasarkan standar ANSI/IEEE Std V. KESIMPULAN/RINGKASAN Kesimpulan yang bisa diambil dari simulasi dan analisis pada tugas akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Pada kasus generator 15 MW lepas dari sistem pada saat kondisi pembebanan ekstrim, perlu dilakukan pelepasan beban sebesar MW dan pada saat kondisi beban puncak (tanpa grid), rele under frequency melakukan pelepasan beban dalam dua tahap sebesar 9,398 MW. 2. Pada saat terjadi kasus hubung singkat tegangan di SP- BUS jatuh sampai dengan 0.2%. 3. Pada kasus motor start, tegangan jatuh menjadi % selama 3 detik.

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kepada pihak Laboratorium simulasi sistem tenaga listrik kepada penulis dalam mengerjakan riset ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Kundur, Prabha. Power System Stability and Control, McGraw-Hill, Inc, [2] Nugroho, Aryo, Analisa Transient Stability dan Pelepasan Beban Pengembangan Sistem Integrasi 33 kv di PT. Pertamina RU IV Cilacap, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Bab II,2011 [3] John J. Grainger and Stevenson, William D, Jr., Power System Analysis, McGraw Hill, Inc, [4] Harwati, Ririn, Analisis Stabilitas Transien Dan Perancangan Pelepasan Beban Pada Sistem Kelistrikkan Pabrik 1 Pt. Petrokimia Gresik, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, Bab II, [5] Saadat, Hadi, Power System Analysis (Second Edition), McGraw-Hill Education (Asia), Singapore, [6] Penangsang, Ontoseno. Diktat Kuliah Analisis Sistem Tenaga Listrik 2, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2006 [7] Kartika, Dewi. Analisis Stabilitas Transien dan Pelepasan Beban pada Sistem Kelistrikan PT Wilmar Gresik dengan Pembangkit Listrik Steam Turbine Generator (STG) 2x15 MW Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, [8] Penangsang, Ontoseno. Diktat Mata Kuliah Peningkatan Kualitas Daya Listrik, Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya, [9] ANSI/IEEE C , IEEE Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants. [10] ANSI/IEEE C , IEEE Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants. [11] IEEE Std , IEEE Guide for Service to Equipment Sensitive to Momentary Voltage Disturbances. [12] IEEE Std. C , IEEE Guide for The Application of Protective Relays Used for Abnormal Frequency Load Shedding and Restoration. [13] Patriandari, Analisis Pengoperasian Speed Droop Governor Sebagai Pengaturan Frekuensi Pada Sistem Kelistrikan PLTU Gresik, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya [14] SEMI F , Specification for Semiconductor Processing Equipment Voltage Sag Immunity. 2007