PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN STEAM TURBIN-GENERATOR BERBASIS MODEL PREDICTIVE CONTROL (MPC) DI PT GEO DIPA ENERGI UNIT DIENG JAWA TENGAH

Transkripsi

1 JURNL TEKNIK POMITS Vol., No., (0) -6 PERNNGN SISTEM PENGENDLIN STEM TURIN-GENERTOR ERSIS MODEL PREDITIVE ONTROL () DI PT GEO DIP ENERGI UNIT DIENG JW TENGH Dhita Krniarm, Katherin Indriawati Teknik Fisika, Fakltas Teknologi Indstri, Institt Teknologi Seplh Nopember (ITS) Jl. rief Rahman Hakim, Srabaya bstrak Geothermal power plant merpakan sat pembangkit listrik yang memanfaatkan panas bmi sebagai smber energinya. Dalam sat geothermal power plant terdapat steam trbin dan generator yang berfngsi ntk mengkonversi energi kalor (steam) menjadi energi listrik. Performansi dari keda komponen tersebt merpakan faktor penting yang menentkan performansi sistem secara keselrhan. Performansi steam trbin ditinja dari kecepatan ptarannya, sedangkan performansi generator ditinja dari tegangan terminalnya. Kecepatan ptaran trbin dikendalikan cara memaniplasi flowrate steam melali governing system, sedangkan tegangan terminal dikendalikan cara memaniplasi ars exciter pada excitation system. Pengendalian seperti ini merpakan jenis pengendalian mltivariabel. Salah sat controller yang sesai ntk pengendalian mltivariabel adalah. Karena it, dalam tgas akhir ini dirancang sistem pengendalian steam trbin dan generator berbasis. Plant yang dimodelkan adalah steam trbin dan generator yang ada di PT Geo Dipa Energi. erdasarkan pada Mp, Ts dan Ess yang ditnjkkan pada hasil simlasi, pengendali memberikan respon yang lebih baik dibandingkan pengendali yang saat ini dignakan di real plant. Kata knci : excitation system, generator, governing system,, steam trbin. P I. PENDHULUN embangkit Listrik Tenaga Panas mi (PLTP) merpakan salah sat energi terbarkan yang berpotensi di Indonesia. Hal ini dikarenakan Indonesia termask wilayah yang dilali oleh Ring of Fire sehingga mempnyai potensi geothermal sebesar 7000 MW. PLTP memanfaatkan energi panas bmi (geothermal) lal mengkonversinya menjadi energi listrik. Sampai 00, sdah terdapat 7 PLTP yang beroperasi di Indonesia, salah satnya adalah PT Geo Dipa Energi nit Dieng yang mempnyai potensi 60 MW. Energi listrik yang dihasilkan oleh PT Geo Dipa Energi akan dikirim ke jaringan PLN. Hal it bisa dilakkan apabila ada sinkronisasi antara power plant jaringan PLN. Sinkronisasi tersebt bisa terjadi jika da smber yang terhbng mempnyai tegangan dan frekensi yang sama. Untk it tegangan terminal generator hars selal dijaga agar sesai tegangan pada jaringan PLN. Sedangkan, freknsi dijaga menjaga kecepatan ptaran trbin. Tegangan generator dan kecepatan ptaran trbin yang dihasilkan memberi pengarh besar pada sistem secara keselrhan. Untk it, kedanya dikendalikan. Saat ini, sistem pengendali yang dignakan pada real plant adalah controller. Pengendali tersebt merpakan controller konvensional yang hanya bisa mengendalikan sat variabel. Karena it, dalam tgas akhir dilakkan penelitian tentang yang bisa mengendalikan sistem mltivariabel. ini akan diterapkan secara simlasi ntk mengendalikan steam trbin dan generator. Respon yang dihasilkan oleh controller pada simlasi diharapkan bisa lebih baik dibandingkan controller yang saat ini dignakan pada real plant. II. URIN PENELITIN. Tinjaan Plant dan Pengamatan Proses PLTP Dieng Pengamatan proses lebih dititikberatkan pada proses yang berhbngan steam trbine dan generator, yait : steam trbin, governing system, generator, excitation system, dan jga network. Dalam rangka ntk merancang sistem pengendalian steam trbin dan generator,dilakkan pengambilan beberapa data sewakt pengamatan proses. dapn data yang diperlkan adalah spesifikasi steam trbin dan generator dan jga data proses. Gambaran mm tentang plant bisa dilihat pada gambar di bawah ini. Gambar. Power generation system [] Perl diketahi bahwa tegangan terminal generator di Geo Dipa dijaga pada 5 kv, sedangkan kecepatan ptaran steam trbin dijaga 3000 rpm. Saat ini daya aktif yang dihasilkan oleh power plant adalah ±5 MW.

2 JURNL TEKNIK POMITS Vol., No., (0) -6. Tahap Pemodelan Plant Pemodelan plant dibat dalam satan per nit (p) dan didasarkan pada diagram blok pengendalian plant seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini. ωref ωgen ω Rangkaian yang ada di dalam governing dan excitation system bisa dilihat pada gambar 3 di bawah ini. Pemodelan Steam Trbin dan Governing Pemodelan steam trbin dan governor system terbagi menjadi tiga, yait : pemodelan governor valve, steam trbin dan shaft. dapn penjelasan dari masing-masing komponen tersebt adalah sebagai berikt. [] Governor valve Pemodelan governor valve dibat berdasarkan persamaan inpt-otpt yang ada pada sistem. Untk lebih jelasnya bisa dilihat pada persamaan di bawah ini otpt inpt = = controller () = ω R p P ref m (3) Pref - /Rp ṁ - : kaan valve / gate opening (p) : Sinyal kontrol (p) R p : Speed droop steam trbin (p) P ref : Daya referensi (p) m : Flow steam pada ST (p) Vref Vstab PSS - Governing STEM TURINE Excitation GENERTOR V, I, Pe To Network Gambar. Diagram blok sistem pengendalian steam trbin dan generator ontroller ontroller Speed Relay (a) Satrasi Tm Shaft Vgen Servo motor Exciter (b) Gambar 3. (a) Governing sbsystem, (b) Excitation sbsystem () Kecepatan referensi steam trbin adalah p (setara 3000 rpm), speed drop 0,05, dan daya referensinya adalah 0, p setara 5 MW). Sinyal kontrol yang dihasilkan () akan diterskan menj speed relay dan servo motor. Speed relay dimodelkan dalam bentk fngsi transfer seperti di bawah ini. TF speed relay = T sr s T sr adalah speed relay time constant nilai 0,00 s. Servo motor merpakan komponen yang mengatr bkaan valve sesai sinyal kontrol yang diberikan. Di PT Geo Dipa, bkaan valve dibatasi sampai 50% saja, karena it pemodelan servo motor diberi batasan lower limit -0,5 p dan pper limit 0,5 p. Sedangkan gate opening rate-nya dibatasi - 0,5 sampai 0,5 p/s. Time constant dari servo motor tersebt adalah 0,5 s. [] Steam trbin Pemodelan ntk steam trbin dibar berdasarkan persamaan di bawah ini. otpt inpt = T m T m = Fm (6) Pemodelan steam trbin dalam bentk fngsi transfer adalah sebagai berikt. TF ST = T st s T m : Torsi mekanik (p) F : Steam trbine torqe fraction T st : Steam trbine time constant (s) Steam trbin yang dignakan pada plant adalah single trbin ata nonreheater sehingga mempnyai nilai F sebesar. Time constant steam trbin yang dignakan adalah 0, s. Shaft Otpt dari shaft adalah daya mekanik yang diperoleh berdasarkan persamaan di bawah ini. P m = ω T m Dimana ω : Kecepatan ptaran steam trbin yang dihasilkan (p) Pemodelan Generator dan Excitation Pemodelan keda komponen tersebt bisa dilihat dibawah ini. (4) (5) (7) (8)

3 JURNL TEKNIK POMITS Vol., No., (0) -6 3 Generator Pemodelan elektrik generator dibat berdasarkan pada rangkaian d-axis dan q-axis seperti yang terlihat pada gambar [3] 4. V q & V d : q & d-axis voltage (V) i q & i d : q & d-axis crrent () L kq, L kq & L kd : q & d-axis leakage indktansi (H) R kq, R kq & R kd : q & d-axis resistansi (Ω) i kq, i kq & i kd : q & d-axis crrent () V kq, V kq & V kd : q & d-axis voltage (V) L fd : Field leakage indktansi (H) Sedangkan, ars dihitng persamaan di bawah ini. i q = φ q φ mq L l () i d = (φ d φ md ) L l () (a) L aq L aq L aq φ mq = φ q φ L kq φ l L kq kq L kq (3) L aq L aq L aq φ md = φ q φ L fd φ l L kd fd L kd (4) Gambar 4. (a) q-axis, (b) d-axis Persamaan synchronos generator menjadi seperti di bawah ini. [3] V d = R s i d d dt φ d ω R φ q (9) V q = R s i q d dt φ q ω R φ d (0) V fd = R fd i fd d dt φ fd () V kd = R kd i kd d dt φ kd () V kq = R kq i kq d dt φ kq (3) V kq = R kq i kq d dt φ kq (4) φ d = L d i d L md i fd i kd (5) φ q = L q i q L mq i kq (6) φ fd = L fd i fd L md (i d i kd ) (7) φ kd = L kd i kd L md i d i fd (8) φ kq = L kq i kq L mq i q (9) φ kq = L kq i kq L mq i q (0) (b) D : Koefisien redaman (p) H : konstanta inersia (p) T m : Torsi mekanik (p) φ mq : q-axis mtal flx (p) φ md : d-axis mtal flx (p) Otpt yang dihasilkan generator adalah tegangan, ars dan daya aktif. dapn perhitngannya bisa dilihat pada persamaan di bawah ini. V t = V q V d (5) I t = i q i d (6) P eo = V d i d V q i q (7) V t : Tegangan terminal generator (p) I t : rs generator (p) P eo : Power active (p) Excitation system Excitation system dibat berdasarkan diagram blok pada gambar 3.(b). Pemodelan exciter dibat dalam bentk fngsi transfer seperti yang ditnjkkan oleh persamaan di bawah ini. TF Exciter = K e T e s K e : Exciter gain T e : Exciter time constant (s) (8) R s L ls L mq & L md : Resistansi stator (Ω) : Leakage indktansi (H) : q & d-axis magnetizing indctance (H) Tegangan referensi generator adalah p (setara 5 kv). Nilai K e adalah, dan T e adalah 0,00 s.

4 U : U : : JURNL TEKNIK POMITS Vol., No., (0) -6 4 Nilai V stab merpakan otpt dari Power stabilizer yang didalamnya terdiri dari velocity transmitter, washot, kompensator, dan limiter. dapn pemodelannya dibat dalam bentk fngsi transfer seperti persamaan berikt ini. TF vt = T vt s TF washot = T w s T w s TF lead lag = T s T s T 3 s T 4 s (9) (30) (3) T vt : Velocity transmitter time constant (0,003 s) T w : Washot time constant ( s) T, T, T 3, & T 4 : Lead-lag time constant (0,005 s ; 0,005 s; 0,3 s ; 0,5 s) Limiter dignakan ntk membatasi otpt PSS. Dalam pemodelan ini, otpt PSS dibatasi lower limit -0, p dan pper limit 0, p.. logaritma Didalam terdapat beberapa komponen, yait model proses, fngsi kriteria dan Gadratic Programming. dapn lebih jelasnya bisa dilihat di bawah ini. [4] Model Proses / Plant Pembatan algoritma diawali membat model linear dari plant dalam bentk state space diskrit. x(k ) = x(k) (k) (3) y(k) = x(k) (33) U matriks keadaan berdimensi n x n matriks maskan berdimensi n x l matriks kelaran berdimensi m x n Fngsi Kriteria Perhitngan sinyal kendali pada dilakkan meminimmkan sat fngsi kriteria yang berbentk kadratik seperti berikt : V(k) = Hp i= y (k i k) r(k i k) Q(i) H i=0 (k i k) R(i) (34) y (k i k) : kelaran terprediksi ntk i-langkah ke depan saat wakt k r(k i k) : nilai trayektori acan (reference trajectory) (k i k) : perbahan nilai sinyal kendali terprediksi ntk i-langkah kedepan saat wakt k Q(i) dan R(i) : faktor bobot Hp : prediction horizon H : control horizon Qadratic Programming Metode qadratic programming ini dignakan ntk perhitngan nilai optimal perbahan sinyal kontrol ΔU(k) opt. J(k) = U T (k) H U(k) U T (k)g (35) Pengendalian plant secara keselrhan apabila menggnakan menjadi seperti gambar 5. Vref - (0) PSS ωgen Vstab 3 Measred Otpt Referance Pref 3 Sedangkan, rangkaian yang ada di dalam governing dan excitation bisa dilihat pada gambar 6. 3 ωref 3 Maniplated Variabe /Rp Speed Relay Satrasi Governing (a) STEM TURINE Servo motor Exciter (b) Gambar 6. (a) Governing sbsystem, (b) Excitation sbsystem erdasarkan diagram blok yang ditnjkkan oleh gambar 6, bisa dilihat bahwa inpt terdiri dari sinyal referensi, measred otpt dan maniplated variable. Pada diagram blok terlihat bahwa terdapat tiga port ntk masing-masing inpt. Hal ini dikarenakan ada tiga variabel yang dikendalikan. Port ntk tegangan generator, port ntk daya aktif dan port 3 ntk kecepatan ptaran steam trbin. Pada diagram blok tersebt diketahi bahwa sinyal kontrol ntk governing system diperoleh setelah mengalami da kali pengendalian. Perbahan kecepatan ptaran steam trbin menjadi sinyal bagi yang selanjtnya diproses sehingga mengasilkan sinyal kontrol yang dilewatkan pada port 3. Sinyal kontrol tersebt tidak langsng dilanjtkan menj aktator, melainkan dikonversi dl menjadi flow cara membaginya koefisien speed droop. Hasilnya diakmlasi daya referensi dan menjadi inpt referensi bagi di port. Measred otpt yang menjadi inpt di port merpakan flow steam yang ada pada steam trbin. Dengan adanya sinyal referensi dan measred otpt tersebt dihasilkan sinyal dan dalam sinyal tersebt akan dirbah menjadi sinyal kontrol yang dilewatkan Excitation Tm Shaft GENERTOR Gambar 5. Diagram blok pengendalian steam trbin & generator V, I, Pe

5 wm d_theta f low gate <Stator v oltage v q (p)> <Stator v oltage v d (p)> <Rotor angle dev iation d_theta (rad)> <Rotor speed wm (p)> a b c <Rotor speed wm (p)> <Otpt activ e power Peo (p)> <Stator v oltage v q (p)> <Stator v oltage v d (p)> Vabc_500 (p) Iabc_ () I_Falt () a b c a b c JURNL TEKNIK POMITS Vol., No., (0) -6 5 pada port. Sinyal kontrol pada port inilah yang akan menjadi inpt bagi aktator pada governing system. isa dikatakan bahwa yang dignakan dimodelkan dalam bentk cascade. pabila dilihat dari sistem eksitasinya, pemodelan pengendali mapn mempnyai strktr yang hampir sama. Kedanya menggnakan tegangan referensi, initial field voltage, tegangan PSS, tegangan otpt generator, dan eksitasi ntk mendapatkan sinyal Pemodelan plant menggnakan secara keselrhan bisa dilihat pada gambar 7. ontinos Transfer Fcn 0.00s sqrt(()^ ()^) 75 p =>> MW Steam Trbine and Generator ontrol with by Dhita Krniarm -Kp =>> rpm -Kp => rpm RPM. Hasil Simlasi Sistem Pengendalian Hasil simlasi controller dibandikan kondisi real plant ntk proses validasi. dapn datanya bisa dilihat pada tabel 3. Tabel 3 Validasi model Parameter Real plant Model Speed trbin 3000,668 rpm 3000 rpm Tegangan 496,76 kv 5 kv Power active 5054,09 MW 4,9989 MW Respon yang ditnjkkan oleh kecepatan ptaran steam trbin, tegangan generator dan power active ketika ji crrent falt ditnjkkan dalam bentk grafik seperti yang terlihat pada gambar 8, 9, dan 0. mo Steam Trbine w ref mv and Governor 0. ref P ref Vf 0 v ref Excitation Vstab In v f(0) -- Gate m Vf_ 75 MV 5kV 3000 rpm Vabc_500 Iabc_ Mltimeter 75 MV-50 Hz 5 kv-50 kv Gambar 7. Hasil pemodelan plant secara keselrhan 500 Grid 75 p => MW sqrt(()^ ()^) Positive Seqence Voltage 50 kv ; 75 MV 0. mh Three-Phase Falt Falt applied at peak Van Vn voltage of generator Peo K- p => kv Volt p =>> kv 5 Kecepatan ptaran steam trbin (rpm) Set point III. HSIL DN DISKUSI Simlasi dilakkan pada keda model plant, baik yang menggnakan controller mapn yang menggnakan. Pengjian dilakkan adalah pemberian ganggan berpa three phase crrent falt pada line menj network. dapn parameter crrent falt adalah falt resistance 0,00Ω, grond resistance falt 0,00Ω, snbbers resistance sebesar x0 6, dan transmition line pada detik ke-0 s sampai 0,0 s. Respon yang hasilkan ditampilkan dalam bentk grafik. Sedangkan, parameter Mp, Ts dan Ess yang ditnjkkan sewakt simlasi ditampilkan dalam bentk tabel. dapn parameter-parameter dan yang dignakan ditampilkan dalam tabel dan. Tabel. Parameter-Parameter ontroller Parameter Nilai Governing Kp 300 Ti 75 Excitation Kp 50 Ti 0, Tabel. Parameter-Parameter Parameter Nilai ontrol interval prediction horizon 3 control horizon bobot inpt 0 bobot laj inpt 0, bobot otpt 0,04076 onstraint -/ ; -0,5/0,5 ; -0,/0, Gambar 8. Respon kecepatan ptaran steam trbin Tegangan generator (kv) Power ctive (MW) Set point Gambar 9. Respon tegangan generator Gambar 0. Respon power active Set Point Pada awal simlasi, memberikan respon sesai initial condition. Hal ini berbeda yang tidak memberikan respon sesai initial condition pada awal simlasi. Pada algoritma, plant dilinierisasi dan dibat dalam bentk state space. Ini menyebabkan bekerja pada

6 JURNL TEKNIK POMITS Vol., No., (0) -6 6 titik nol dan tidak sesai initial condition. bar bisa memberikan respon sesai initial condition setelah berjalan selama beberapa detik. Pada detik ke-0, sistem diberi ganggan berpa crrent falt. danya ganggan ini membat sistem menjadi tidak stabil. Pengendali atapn bisa membat sistem kembali pada kondisi steady sesai set point. Tetapi, apabila diperhatikan memberikan sinyal kontrol yang lebih stabil dibandingkan controller sehingga respon yang dihasilkan jga lebih baik.. Gambar 8-0 diamati berdasarkan Mp, Ts, dan Ess-nya. Hasilnya ditampilkan dalm bentk tabel seperti yang terlihat pada tabel 4. Tabel 4. Nilai Mp, Ts, & Ess ontroller Mp (%) Ts (s) Ess (%) Kecepatan Ptaran Steam Trbin 0,7 7 3,33x0-3 % 0, 3 3,33x0-4 % Tegangan Generator - 0,4 0,4-0,3 0,33 Power ctive 00,5,87% 00 0,6 0,33%. Maniplated variable Maniplated variable yang diperoleh ketika simlasi dijadikan inpt bagi aktator. Dalam hal ini, otpt dari aktator adalah gate opening dan field voltage. Gate opening dan field voltage bergantng pada sinyal kontrol yang diberikan, oleh karena it sinyal kontrol yang dihasilkan oleh controller bisa diamati dari respon pada gate opening dan field voltage. dapn respon yang ditnjkkn oleh gate opening dan field voltage diperlihatkan pada gambar dan. Gate opening (%) Pada kondisi awal, memang tidak bisa langsng mencapai kondisi ideal, tetapi apabila dilihat dari kestabilannya mempnyai kengglan dibandingkan controller baik dari segi setling time atapn maximm overshoot-nya. IV. KESIMPULN erdasarkan pada hasil simlasi, diketahi bahwa cenderng memberikan respon yang lebih baik dibandingkan controller. Hal ini dikarenakan mempnyai kengglan ntk memprediksi sinyal kontrol ntk beberapa wakt ke depan sehingga sinyal kontrol yng dihasilkan lebih stabil. Selain it, kengglan yang lain lebih efisien karena bisa mengendalikan sistem mltivariable hanya sat controller. Pada pengjian yang telah dilakkan, kecepatan ptaran trbin mempnyai nilai Mp sebesar 0,%, Ts sebesar 3 s dan Ess 3,33x0-4 %. Tegangan terminal generator mempnyai nilai Ts sebesar 0,3 s dan Ess sebesar 0,33%. Sedangkan, power aktif mempnyai nilai Mp sebesar 00%, Ts sebesar 0,6 s dan Ess sebesar 0, 33 %. UPN TERIM KSIH Penlis mengcapkan terima kasih kepada Ib Katherin Indriawati selak dosen pembimbing yang telah banyak memberi pengarahan materi dan PT Geo Dipa Energi selak persahaan yang telah memberi ijin pengambilan data. DFTR PUSTK [] Machowski, ialek & mby POWER SYSTEM DYNMIS : Stability and ontrol. John Wiley & Sons, Ltd. New Delhi, India. [] IEEE committee report. Dynamic models for steam and hydro trbines in power system stdies. IEEE Transactions on Power pparats and s, Vol.PS-9, No.6, 973, pp [3] Krase, Wasynczk, & Sdhoff. 00. nalysis of Electric Machinery and Drive s. Institte Electrical and Electronic Engineering, Inc. US. [4] amacho, E.F.,& ordons, Model Predictive ontrol. New York: Springer Gambar. Respon gate opening..5. Field Voltage (p) Gambar. Respon field voltage