ANALISIS PENGOPERASIAN SPEED DROOP GOVERNOR SEBAGAI PENGATURAN FREKUENSI PADA SISTEM KELISTRIKAN PLTU GRESIK

Transkripsi

1 ANALISIS PENGOPERASIAN SPEED DROOP GOVERNOR SEBAGAI PENGATURAN FREKUENSI PADA SISTEM KELISTRIKAN PLTU GRESIK Patriandari Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya - 60 Abstrak : Sistem tenaga listrik harus mampu menyediakan tenaga listrik bagi para pelanggan dengan frekuensi yang konstan. Frekuensi sistem tergantung pada keseimbangan daya aktif. Perubahan kebutuhan daya aktif pada operasi sistem menyebabkan terjadinya perubahan frekuensi. Penyimpangan frekuensi dari nilai nominal harus selalu dalam batas toleransi yang diperbolehkan. Maka untuk mempertahankan frekuensi dalam batas toleransi yang diperbolehkan, penyediaan daya aktif dalam sistem harus disesuaikan dengan kebutuhan. Pengaturan penyediaan daya aktif dilakukan dengan pengaturan besarnya kopel mekanis yang diperlukan untuk memutar generator, hal ini berarti pengaturan pemberian bahan bakar pada turbin gas. Suatu governor pada setiap unit generator berfungsi sebagai pengatur utama pemberian uap atau bahan bakar pada unit pembangkit. Pada Tugas Akhir ini dilakukan analisa pengoperasian speed droop governor sebagai pengaturan frekuensi pada sistem kelistrikkan PLTU unit /2 dan unit 3/4 Gresik Jawa Timur, dengan menggunakan MATLAB Simulink 7.6. Melalui simulasi ini ditunjukkan prinsip kerja dari speed droop governor apabila terjadi perubahan frekuensi sistem. Dalam simulasi ini dihasilkan frekuensi yang masih dalam batas toleransi, yaitu ± 2 % dari frekuensi nominal 50 Hz. Kata kunci : frekuensi, governor, speed droop governor. I. PENDAHULUAN Dalam mengoperasikan sistem tenaga listrik ditemui berbagai persoalan. Hal ini disebabkan karena pemakaian tenaga listrik selalu berubah dari waktu ke waktu, biaya bahan bakar yang relatif tinggi serta gangguan kondisi alam dan lingkungan yang sering mengganggu jalannya operasi. Berbagai persoalan pokok yang dihadapi dalam pengoperasian sistem tenaga listrik salah satunya adalah pengaturan frekuensi. Sistem tenaga listrik harus mampu memenuhi kebutuhan akan tenaga listrik dari konsumen dari waktu ke waktu. Oleh karena itu, daya yang dibangkitkan oleh sistem tenaga listrik harus selalu sama dengan beban sistem, hal ini diamati melalui frekuensi sistem. Jika daya yang dibangkitkan dalam sistem lebih kecil dari beban yang diminta, maka frekuensi akan turun. Begitu juga sebaliknya, jika daya yang dibangkitkan sistem lebih besar dari pada beban maka frekuensi akan naik. Penyimpangan frekuensi dari nilai nominal 50 Hz, harus selalu dalam batas toleransi yang diperbolehkan. Daya aktif mempunyai hubungan erat dengan nilai frekuensi dalam sistem. Sedangkan beban sistem yang berupa daya aktif maupun daya reaktif selalu berubah sepanjang waktu. II. PENGATURAN FREKUENSI DAN DAYA AKTIF 2. Pengaturan Frekuensi dan Daya Aktif Daya aktif mempunyai hubungan erat dengan nilai frekuensi sistem. Penyediaan daya aktif harus disesuaikan dengan kebutuhan daya aktif beban, penyesuaian ini dilakukan dengan mengatur kopel penggerak generator, sehingga tidak ada pemborosan penggunaan daya. Pada umumnya dalam sistem tenaga listrik digunakan generator sinkron tiga fasa untuk pembangkit tenaga listrik yang utama. Oleh karena itu, pengaturan frekuensi sistem tergantung pada karakteristik generator sinkron. Menurut Hukum Newton ada hubungan antara kopel mekanik penggerak generator dengan perputaran generator : Dimana : (T G -T B ) = H x T G T B H ώ = Kopel penggerak generator = Kopel beban yang membebani generator = momen inersia dari generator beserta mesin penggeraknya = kecepatan sudut perputaran generator Frekuensi akan turun jika daya aktif yang dibangkitkan tidak mencukupi kebutuhan beban dan sebaliknya frekuensi akan naik jika kelebihan daya aktif dalam sistem. Secara mekanis apabila : (T G -T B ) = ΔT < 0 maka < 0, sehingga frekuensi turun (T G -T B ) = ΔT > 0 maka > 0, sehingga frekuensi naik Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS halaman

2 Dari persamaan di atas, secara tidak langsung penyediaan daya aktif dapat pula mempengaruhi frekuensi sistem. 2.2 Prinsip Kerja Governor Turbine Uap dilengkapi dengan frequency control dan merupakan peralatan pengaturan control valve. Control valve akan membuka untuk menambah kapasitas Uap/ Bahan bakar ketika frekuensi turun dari nominal atau sebaliknya, akan menutup untuk mengurangi kapasitas Uap/ Bahan bakar ketika frekuensi naik. Pengertian ini umum dikenal speed governor. Type governor antara lain, MHC( Mechanic Hydraulic Control ) dan EHC ( Electric Hydrolic Control ). Apabila pada saat t = t 0 (lihat Gambar 2.2) ada penambahan beban, maka frekuensi akan turun dari nilai f 0 menjadi f. Penurunan frekuensi ini dikarenakan nilai T B menjadi lebih besar sebagai akibat penambahan beban sehingga ( T G - T B ) = ΔT < 0 dan selanjutnya juga menjadi < 0. adalah percepatan sudut dan karena frekuensi f = maka hal ini juga berarti penurunan frekuensi. Penurunan frekuensi dari nilai f 0 menjadi f dirasakan oleh governor, dan governor akan beraksi untuk mengembalikan nilai frekuensi ke f 0. Berikut ini adalah penjabaran dari reaksi governor saat terjadi perubahan frekuensi :. Pada saat ώ turun maka bola-bola pada Gambar 2.2 akan bergerak, sehingga titik A turun. Apabila titik A turun maka juga akan menurunkan titik B. Gambar 2. Skema Governor 2 Gambar 2.2 Respon Governor Jika titik B turun, maka torak pengarah tekanan minyak akan memompa minyak ke torak utama, sehingga katup utama terangkat ke atas untuk menambah uap ke turbin uap. 2. Pada saat t = t 2 kerja governor mulai terasa dan kecuraman penurunan frekuensi mulai berkurang, sampai pada saat t = t 3 kecuraman penurunan frekuensi telah hilang atau dapat dikatakan F, sehingga (T G -T B ) = ΔT = Pada saat t = t 3 nilai frekuensi F = F menyebabkan generator akan terus menerus menambah uap dengan cara mengangkat katup utama dari turbin. Hal ini berarti bahwa kopel yang dihasilkan mesin penggerak generator terus diperbesar sehingga ΔT = (T G -T B ) 0 mengakibatkan F yang 0 berarti bahwa frekuensi naik. 4. Pada saat t = t 4 nillai ΔT > 0 nilai frekuensi F > F 0 sehingga governor mulai bereaksi menurunkan frekuensi dengan jalan mengurangi uap ke turbin sehingga nilai ΔT diperkecil dan hal ini juga memperkecil nilai F. 2.3 Speed Droop Governor Speed Droop adalah bilangan prosentase yang menyatakan kepekaan turbin merespon perubahan frekuensi. Semakin kecil nilai prosentase speed droop, maka semakin peka terhadap perubahan frekuensi. Demikian pula sebaliknya, semakin besar nilai prosentase speed droop, maka semakin malas merespon perubahan frekuensi. Konsep dasar speed droop akan lebih mudah dipahami melalui Gambar 2.3 diagram blok speed droop governor. uap katup Turbin dengan reheat T m T e P m G Generator P e Governor Speed Droop Load (P L) Gambar 2.3 Blok diagram sistem pembangkit listrik Speed droop menentukan hubungan antara sinyal pengaturan putaran (governor) dengan output beban yang dibangkitkan oleh Generator. Speed Droop merupakan perbandingan beban dengan frekuensi. Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS halaman 2

3 P F P F + - stg R Governor Speed Droop = Dimana : R = putaran nominal R = putaran tanpa beban R2 = putaran beban penuh Makin kecil nilai speed droop dari governor maka makin peka terhadap perubahan beban. Sekilas jika pada suatu pembangkit memiliki nilai speed droop sebesar 5 % maka dapat dihitung : 5 % = Hz 2. 5Hz Artinya sistem dibatasi untuk penurunan frekuensi maksimal 2.5 Hz dari batas nominal 50 Hz, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4 Tongkat Frekuensi. Hz 5,50 50,20 50,00 49,80 49,50 49,00 48,40 48,30 48,00 47,50 x D R R2 00% R Operasi normal, frekuensi ,2 Hz Ekskursi, + 0,5 Hz, brown-out Df/dt, - 0,6 Hz/s, Load shedding tahap 5, 6, 7 (8 MW) Df/dt, - 0,8 Hz/s, Load shedding tahap 5, 6, MW Load shedding Skema A & B, frek 49,50 Hz ( 394 MW MW) Df/dt, -,0 Hz/s, Load shedding tahap 5, 6, MW Load shedding tahap s.d. 7, frek 49,00 s.d. 48,40 (2756 MW) Islanding Operation, mulai 48,30-48,00 Hz Host load unit-unit pembangkit Gambar 2.4 Tongkat Frekuensi III. PEMODELAN SISTEM KELISTRIKAN PLTU GRESIK 3. Pemodelan Matematika Sistem Pembangkit Listrik pada PLTU Pada Gambar 2.3 merupakan representasi dari sistem pembangkit listrik PLTU Gresik UP. Gresik yang juga dapat direpresentasikan dalam blok diagram sebagai berikut: sfhptrh + - CH RH D Ms st st Turbin P G P D Rotor inertia & Load Gambar 3. Blok Diagram Sistem Pembangkit Listrik dengan Reheat Steam Turbine + - D Ms R Governor xd st CH Turbin P D + - D Ms Gambar 3.2 Blok Diagram Sistem Pembangkit Listrik dengan Non-Reheat Steam Turbine P G Rotor inertia & Load f f Pada Gambar 3. merupakan representasi dari PLTU unit 3 dan 4 yang memiliki turbin jenis reheat (pemanas ulang). Sedangkan pada Gambar 3.2 merupakan representasi dari PLTU unit dan 2 yang memiliki jenis turbin non- Reheat ( tanpa pemanas ulang ). 3.2 Pemodelan Sistem Governor pada PLTU menggunakan Matlab Simulink 7.6 Pada PLTU Gresik, baik unit /2 dan unit 3/4, pengaturan frekuensinya menggunakan load limit. Dengan kata lain free governor di-lock atau dikunci, sehingga penurunan atau kenaikan beban akibat perubahan frekuensi dibatasi nilainya. Untuk unit /2 menggunakan load limit sebesar 00% dan speed droop sebesar 5 %, sehingga lebih lambat dalam merespon perubahan frekuensi yang terjadi [sumbernya power point data gov PLTU]. Perlu diketahui bahwa PLTU unit /2 memiliki governor jenis mechanical hyrdolic control (MHC). PLTU unit /2 memiliki kapasitas pembangkit 2x00 MW. Lihat Gambar 3.4 dan Gambar 3.5. Pada PLTU unit 3/4 dengan kapasitas 2x200 MW menggunakan governor tipe electrical hyrdolic control (EHC) yang metode pengaturan kontrol lebih stabil dibanding MHC, sehingga respon kontrolnya lebih baik. Speed droop dipasang 5 % dan load limit diatur pada nilai 0 % diatas governor. Pada Gambar 3.3, Gambar 3.4 dan Gambar 3.5 merupakan gambar simulasi ketika free governor di-lock. Maka untuk pengaturan beban ketika terjadi perubahan frekuensi yang bekerja adalah kontrol beban menggunakan load limit. Artinya ketika terjadi penurunan atau kenaikan frekuensi dan berdampak pada penurunan atau kenaikan beban dibatasi nilainya. Ketika nilainya sudah mencapai batas limit yang ditentukan, maka governor control yang bekerja. Sistem pengaturan beban seperti ini dinamakan mode operasi load limit dengan lintasan governor otomatis. Gambar 3.3 Pemodelan governor PLTU unit Gambar 3.4 Pemodelan governor PLTU unit 2 Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS halaman 3

4 Gambar 3.5 Pemodelan governor PLTU unit 3 dan 4 IV SIMULASI DAN ANALISIS 4. Simulasi Sistem Awal Governor PLTU Gresik Kondisi awal governor, baik PLTU dan 2 juga PLTU 3 dan 4 pada pengaturan frekuensinya menggunakan Load Limit [5]. Pemodelan sistem dalam simulasi tugas akhir ini dapat dilihat pada Gambar 4.. Pada Gambar 4. memperlihatkan bahwa baik speed regulation PLTU dan 2 maupun PLTU 3 dan 4, samasama menggunakan speed regulation 5 %. Mode pengoperasian Load Limit adalah mengontrol output suplai unit yang menghendaki suplai konstan (bersifat pasif), tidak dipengaruhi oleh perubahan frekuensi sistem. Gambar 4.2. Respon Frekuensi PLTU unit / Simulasi Load Limit PLTU unit 3 dan 4 Batasan antara load limit dengan governor untuk PLTU unit 3 dan 4 ini adalah 0 %, setara dengan 20 MW. Bila unit beroperasi dengan load limit maka posisi governor 0 % diatasnya, demikian juga bila unit beroperasi dengan governor maka load limit berada 0 % diatasnya. Kontrol ini digunakan dengan maksud agar ketika unit beroperasi dengan governor, kenaikan suplai akibat penurunan frekuensi yang cukup besar tidak boleh melebihi 20 MW. Karena kenaikan suplai lebih dari 20 MW akan sulit diikuti oleh boiler. Respon frekuensi dengan load limit set 0 % dapat lihat pada Gambar 4.3. Gambar 4.3. Respon Frekuensi PLTU unit 3/4 Gambar 4.. Pemodelan Governor menggunakan MATLAB Simulink Simulasi Load Limit PLTU unit dan 2 Kontrol beban PLTU unit dan 2 menggunakan load limit set 00 % diatas governor. Sehingga apabila kenaikan output suplai melebihi maksimum 00 %, maka akan diambil alih oleh governor control. Jika load limit diatur 00 % diatas governor, maka pengambil alihan fungsi kontrol ini akan lebih lambat. Respon dari frekuensi dengan menggunakan load limit 00 % ditunjukkan pada Gambar Hasil simulasi Gambar 4.2 menunjukkan bahwa ketika sistem diberikan penambahan beban sebesar 0.05 pu maka frekuensi akan turun. Pada saat inilah governor bekerja untuk mengatur perubahan frekuensi. Di PLTU unit /2 menggunakan load limit 00% dapat kembali ke nilai frekuensi nominal, 50 Hz, jika ada penambahan suplai daya output sebesar 40 MW, lihat Gambar 4.2. Daya aktif yang akan ditambahkan adalah sebesar 0.05 pu. Karena penambahan beban sama dengan penambahan daya maka Δf =0, sehingga f t = 50 Hz. Gambar 4.2 adalah respon frekuensi untuk PLTU unit dan unit Hasil simulasi dan Analisis Speed Droop Nilai parameter speed droop governor (R) untuk PLTU sektor Gresik adalah 5%. Setelah proses pemodelan pada Gambar 4.4 dan Gambar 4.6, hasil respon frekuensi dari masing-masing pembangkit dapat dilihat di Gambar 4.5 dan Gambar 4.7, kemudian dilanjutkan dengan analisis pengoperasian speed droop yang diberikan nilai antara 2% sampai dengan 2%. Hasil dari simulasi ini akan memberikan informasi tentang nilai parameter speed droop yang cepat merespon perubahan frekuensi. Pada analisis ini akan diberikan satu kasus sebagai pembanding kerja dari governor dan kecepatan dalam mengikuti perubahan beban. Gambar 4.4 Simulasi 2 % R 2 % PLTU unit /2 menggunakan Matlab Simulink 7.6 Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS halaman 4

5 Gambar 4.5 Hasil imulasi 2 % R 2 % PLTU unit /2 menggunakan Matlab Simulink 7.6 Dari hasil gambar simulasi di atas, terlihat bahwa governor dengan nilai R = 2 % lebih cepat merespon perubahan beban dan penurunan frekuensi tidak terlalu besar nilainya dibandingkan dengan governor dengan nilai R = 2 %. Hal ini disebabkan karena ketika ada penambahan beban secara tiba-tiba sebesar 0.05 pu, maka terjadi penurunan frekuensi sistem. Kemudian output penurunan frekuensi ini direspon balik oleh governor, sehingga katup pada generator membuka lebih besar agar uap lebih banyak masuk ke dalam turbin. Kemudian kecepatan akan naik diikuti dengan kenaikkan frekuensi. Di lapangan, untuk PLTU Gresik unit dan 2, speed droop diatur 5 %, sehingga harga gain : Artinya setiap ada perubahan 0. Hz akan mengakibatkan perubahan beban sebesar 4 MW. Kondisi pada Gambar 4.4 adalah saat operasi Governor Control, set load limit diatur secara manual menyesuaikan dengan kondisi boiler. Jika ada perubahan beban (akibat frekuensi) besaran kenaikan beban tergantung pada set load limit PLTU unit dan 2. Pada PLTU Gresik unit dan 2, kondisi free governor di-lock, sehingga governor yang seharusnya dapat mengikuti perubahan beban tidak dapat bekerja maksimal. Governor dilock pada load limit 00%, sehingga ketika terjadi penurunan frekuensi penambahan uap pada turbin dilakukan secara manual oleh operator. Sehingga, dapat dikatakan bahwa ketika governor memiliki speed droop yang besar, maka governor tersebut bersikap malas karena lebih lambat dalam merespon perubahan frekuensi yang terjadi. Begitu pun sebaliknya, jika governor memiliki speed droop yang kecil maka governor tersebut dikatakan rajin karena lebih cepat merespon perubahan frekuensi []. Gambar 4.7 Hasil imulasi 2 % R 2 % PLTU unit 3/4 menggunakan Matlab Simulink 7.6. Respon dari speed droop ini yang memberikan informasi kepada katup (valve) untuk membuka atau menutup aliran uap ke turbin. Sehingga putaran kecepatan torsi elektrik pada generator dapat bertambah atau berkurang sampai frekuensi berada pada posisi nominal 50 Hz. Namun keadaan di lapangan tidak demikian. Untuk PLTU Gresik unit 3 dan 4, speed droop diatur 5 %, sehingga harga gain : Setiap ada perubahan 0, Hz akan mengakibatkan perubahan beban sebesar 8 MW. Pada saat operasi Governor Control,maka set dari Load Limit adalah 0 % diatas Governor Control. Jika ada perubahan beban (akibat frekwensi) beban akan dikontrol oleh Governor Control dan bertambah 0%, setara 20 MW. 4.2 Data Parameter PLTU Gresik 4.2. Respon Frekuensi PLTU menggunakan speed droop governor Pada pasal ini akan dibandingkan simulasi dengan nilai-nilai parameter rekomendasi hasil simulasi dengan keadaan di lapangan. PLTU unit /2 menggunakan load limit 00 %. PLTU ini memiliki turbin jenis non-reheater (tanpa pemanas ulang) dan kapasitas daya pembangkitan adalah x200 MW. PLTU unit 3/4 menggunakan load limit 0 %, nilai yang lebih kecil dibandingkan unit /2. PLTU ini memiliki turbin jenis reheater (pemanas ulang) dan kapasitas daya pembangkitan adalah 2x200 MW. Sekarang dicoba menggunakan kontroler pada unit governor pembangkit. Diberikan parameter speed droop yang berbeda dan juga nilai kontroler yang berbeda, agar didapatkan hasil yang dapat dibandingkan dengan pasal 4.3. di atas. Pada sisttem tenaga listrik biasanya dipakai kontroler PI (proportional integral). Berikut adalah nilai parameter untuk rekomendasi sistem yang disimulasikan pada Matlab Simulink 7.6 : Gambar 4.6 Simulasi 2 % < R < 2 % PLTU unit 3/4 menggunakan Matlab Simulink 7.6 Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS halaman 5

6 V. KESIMPULAN DAN SARAN 5. Kesimpulan Gambar 4. Pemodelan sistem tenaga listrik PLTU unit / 2 dan unit 3/4 Gresik dengan kontroler Tabel 4.3 Parameter PLTU /2 dan unit 3/4 Gresik Parameter Nilai T G, T G2, T G3, T G T RH, T RH2 0 T RH3, T RH4 7 T CH, T CH2, T CH3, T CH4 0.3 F HP, F HP2, F HP3, F HP4 0.3 M, M 2, M 3, M 4 0 R, R 2 3 R 3, R 4 4 D, D 2, D 3, D Beban sistem 0.05 Gambar 4.2 Hasil simulasi respon frekuensi PLTU unit /2 dan unit 3/4 dengan speed droop governor Tabel 4.4 Hasil respon PLTU /2 dan unit 3/4 Gresik menggunakan speed droop governor Unit Pembangkit Overshoot (p.u) PLTU PLTU PLTU PLTU Time Settling (detik). Mode pengaturan frekuensi di PLTU Gresik unit /2 dan unit 3/4 menggunakan load limit,yang artinya bahwa governor free tidak diaktifkan. 2. Dari hasil analisis, apabila free governor diaktifkan, maka kerja dari governor dalam pengaturan frekuensi semakin baik. Respon frekuensi menggunakan speed droop yang lebih kecil nilai prosentasenya maka hasilnya lebih baik. 3. Perlu diadakan kalibrasi atau tuning (peremajaan) peralatan kontrol unit PLTU Gresik, agar governor lebih cepat merespon perubahan frekuensi sehingga didapat nilai frekuensi yang konstan. 5.2 Saran. Untuk penelitian selanjutnya dapat digunakan metode-metode lain seperti GA, Fuzzy, PSO sebagai kontroler otomatis pengoperasian governor free di unit PLTU. Metode yang digunakan sebaiknya disesuaikan dengan keadaan unit PLTU yang akan diteliti. DAFTAR PUSTAKA [] Marsudi Djiteng, Operasi Sistem Tenaga Listrik, Penerbit Graha Ilmu, Yogyakarta, [2] Robandi Imam, Modern Power Control Engineering, Penerbit Andi, Yogyakarta, April [3] Machowski Jan, Warsaw University of Technology, Poland, W. Bialek Janusz, The University of Edinburgh, UK and Bumby James R., Durham University, UK, POWER SYSTEM DYNAMICS Stability and Control Second Edition, John Wiley & Sons, Ltd, [4] Kundur Prabha, Power System Stability and Control, Mc.Graw Hill, Inc., New York, 993. [5] PT PJB UP Gresik, Pengoperasian Governor Free PLTU #2 dan #34, PT PLN PERSERO, 200. [6] PT PJB UP Gresik, Explanation of Electro Hydraulic Control System and Turbine upervisory Instruments System, PT PLN PERSERO. BIODATA PENULIS Patriandari dilahirkan di kota Jakarta 5 Januari 988. Penulis adalah anak ketiga dari tiga bersaudara pasangan Supriyadi GM dan Eka Sangadji. Pada tahun 2006, penulis masuk ke Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Mulai tahun 2009, penulis aktif sebagai asisten untuk Praktikum Pengukuran Listrik di Laboratorium Instrumentasi Pengukuran dan Identifikasi Sistem Tenaga Listrik ( LIPIST B204). ndari_tektro_2006@yahoo.com Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS halaman 6