ESTIMASI WAKTU DAN SUDUT PEMUTUS KRITIS PADA SISTEM TENAGA LISTRIK DENGAN METODE LUAS SAMA

Transkripsi

1 Vol. 9 No. 1 Juni 1 : 53 6 ISSN ESTIMASI WAKTU DAN SUDUT PEMUTUS KRITIS PADA SISTEM TENAGA LISTRIK DENGAN METODE LUAS SAMA Slamet Pusat Penelitian an Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan an Energi Baru Terbarukan Jl. Cileuk Raya kav. 19, Telp (1)7353, Cipulir Keb. Lama, Jakarta Selatan slam_ftubl@yahoo.com ABSTRAK Perioe singkat i antara pelepasan atau penambahan beban yang terjai secara tiba-tiba memerlukan estimasi waktu an suut pemutus kritis paa saat peralihan agar sistem tetap stabil jika terjai gangguan. Metoe yang igunakan untuk menentukan kestabilan suatu sistem tenaga listrik apabila mengalami gangguan aalah metoe kriteria luas sama. Pengujian ilakukan engan simulasi untuk menentukan estimasi waktu pemutus kritis an suut pemutus kritis. Berasarkan hasil kajian menunjukkan bahwa waktu pemutusan. etik, maka iperoleh perkiraan waktu pemutus kritis.139 etik an suut pemutus kritis erajat engan ayunan suut maksimum erajat. Sistem menunjukkan konisi stabil paa pemutusan etik.5 an etik.3 engan terjainya ayunan hal ini terjai jika suut pemutusan kurang ari suut pemutusan kritis. Dan sistem menunjukkan tiak stabil paa pemutusan etik.33 an etik.34 itunjukkan tiak terjainya ayunan hal ini isebabkan suut pemutusan lebih ari suut pemutusan kritis engan emikian apat inyatakan bahwa waktu pemutusan paling maksimal paa.3 etik. Kata kunci : Kriteria luas sama, waktu pemutus kritis, suut pemutus kritis ABSTRACT Short time perio between ischarge or aitional loa incurre suenly require estimation of critical clearing time an critical clearing angle at the transition for the system to remain stable if an interruption occurs. The metho use to etermine the stability of a power system when the isturbance is the equal area criteria metho. Testing system is one by simulation to etermine the critical clearing time an critical clearing angle estimation. Base on the results of stuy inicate that the clearing time. secons, then obtaine an estimate time of.139 secons an critical angle egrees with a maximum swing angle egrees. The system shows a stable conition at the termination of.5 secons an.3 secons with the swing of things happen if the point of termination is less critical from the point of termination. An the system shows unstable at termination.33 secons an.34 secons inicate no occurrence of this is ue to angle swing more from the point of termination of critical clearing thus can be state that the maximum clearing time at.3 secons. Keywors : Equal area criteria, critical clearing time, critical clearing angle Naskah iterima : 5 Mei 1, revisi kesatu: 14 Juni 1, revisi keua: 1 Juni 1, revisi terakhir: 8 Juni 1 53

2 54 Vol. 9 No. 1 Juni 1 : 53 6 Vol. 9 No. 1 Juni 1 : 53 6 ISSN PENDAHULUAN Kebutuhan listrik i masyarakat menorong semakin meningkatnya pemanfaatan tenaga listrik paa peralatanperalatan rumah tangga, kantor an sebagainya, sehingga pasokan listrik harus itambah yakni engan pembangunan pembangkit listrik baru. Untuk menjaga kualitas listrik sampai ke konsumen terlayani secara kontinyu engan tegangan an frekuensi tetap terjaga konstan. Fluktuasi tegangan an frekuensi yang terjai harus beraa paa batas toleransi yang iizinkan agar peralatan listrik konsumen apat bekerja engan baik an aman. Konisi sistem yang benar-benar akurat sebenarnya tiak pernah aa karena aanya perubahan beban yang selalu terjai setiap saat alam sistem tenaga listrik. Penyesuaian oleh pembangkit akan ilakukan melalui gevernor ari penggerak mula an eksitasi generator. Perubahan konisi sistem yang seketika, biasanya terjai akibat aanya gangguan hubung singkat paa sistem tenaga listrik, an pelepasan atau penambahan beban yang terjai secara tiba-tiba. Perioe singkat i antara keua keaaan tersebut memerlukan estimasi waktu an suut pemutus kritis paa saat peralihan, saat terjai gangguan. Stabilitas transient iasarkan paa konisi kestabilan ayunan pertama engan perioe waktu penyeliikan paa etik pertama terjai gangguan [1]. Salah satu metoe yang apat igunakan untuk menentukan kestabilan suatu sistem tenaga listrik apabila mengalami gangguan aalah metoe kriteria luas sama. Walaupun metoe ini tiak apat ipergunakan untuk sistem multimesin namun sangatlah membantu untuk memahami faktor-faktor asar yang mempengaruhi stabilitas peralihan sistem tenaga listrik []. Metoe kriteria luas sama merupakan contoh metoe langsung untuk memperoleh waktu pemutusan kritis, yang mana hanya terbatas untuk satu mesin saja engan bus infinite. Kurva ayunan merupakan alat elevasi suatu kestabilan sistem tenaga listrik paa saat transient.untuk menganalisa suatu kestabilan sistem tenaga listrik igunakan simulasi berbasis Matlab [3]. Tujuan Tujuan ari kajian ini aalah untuk menentukan estimasi waktu pemutus kritis an suut pemutus kritis secara vali an obyektif engan metoe kriteria luas sama yang akan igunakan sebagai acuan alam menentukan kestabilan sistem tenaga listrik paa saat keaaan peralihan. METODOLOGI Metoe penekatan yang igunakan alam penelitian ini aalah membahas mengenai metoe kriteria luas sama untuk menentukan estimasi waktu pemutus kritis an suut pemutus kritis sebagai acuan kestabilan sistem tenaga listrik alam keaaan peralihan (transient) menggunakan simulasi ari moel sistem yang telah ibuat [4]. Menentukan Stabilitas Transient Penentuan tercapai atau tiaknya keserempakan stabilitas transient terjai setelah mesin mengalami gangguan. Gangguan Naskah iterima : 5 Mei 1, revisi kesatu: 14 Juni 1, revisi keua: 1 Juni 1, revisi terakhir: 8 Juni 1

3 Estimasi Waktu an Suut Pemutus Kritis Paa Sistem Tenaga Listrik Dengan Metoe Luas ISSN Sama Vol. 9 No. 1 Juni 1 : 53 6 tersebut apat berupa pembebanan tiba-tiba, kehilangan pembangkit, kehilangan beban yang besar, ataupun gangguan paa sistem. Suatu metoe yang apat igunakan untuk mempreiksi stabilitas yang cepat aalah metoe kriteria luas sama. Metoe ini hanya apat ipakai untuk suatu sistem satu mesin yang terhubung ke infinite bus atau sistem ua mesin. Persamaan (1) apat igunakan untuk menurunkan metoe kriteria luas sama sebagai berikut [4] : i mana H P w t s m - P P ω s Kecepatan serempak P a Daya percepatan P m Daya mekanis P e Daya listrik H Konstanta yang berhubungan engan kelembaman. e a (1) Persamaan ayunan mesin serempak merupakan persamaan asar yang mengatur gerak putar mesin serempak seperti yang itunjukkan paa persamaan (1). Dalam stui kestabilan persamaan tersebut aalah persamaan ifferensial ore keua yang apat ituliskan sebagai ua buah persamaan ifferensial ore pertama yang persamaan (). H pf atau H 18 f t t bisa itulis alam bentuk P a P m P e per unit () P a P m P e per unit Dimana δ aalah menyangkut raian listrik an erajat listrik. Berbagai bentuk ekuivalen ari persamaan akan igunakan untuk menentukan sebuah mesin serempak alam sistem aya. Bila persamaan tersebut iintegrasi keua sisi kiri an kanan maka iperoleh rumusan untuk δ sebagai fungsi waktu. Grafik penyelesaian ini isebut kurva ayunan (swing curve) mesin an engan meneliti kurva ayunan semua mesin alam sistem akan terlihat bahwa mesin akan serempak meskipun terjai gangguan. Aapun persamaannya menjai: æ ö p f ç ( Pm - Pe) è t ø H atau æ ö p f ç ( Pm - Pe) è t ø H (3) Bila paa persamaan (4) kecepatanya menjai nol sesaat setelah gangguan, maka i apatkan kriteria luas sama sebagai berikut: ( P - P ) m e (4) Mesin bekerja paa titik setimbang δ. Paa titik ini aya input mekanik P m P e seperti itunjukan paa gambar 1. Penambahan aya input tiba-tiba yang inyatakan oleh garis horizontal P m1. Dengan P m1 > P e, aya percepatan paa rotor aalah positif an suut aya δ bertambah. Kelebihan energi yang tersimpan paa rotor selama percepatan awal aalah : ( Pm - Pe ) luas abc luas A 1 (5) Dengan penambahan δ, aya listrik bertambah, an paa saat δ δ 1 maka aya input yang baru aalah P m1. Walaupun aya percepatan aalah nol paa titik ini, rotor berputar i atas kecepatan serempak. Oleh Naskah iterima : 5 Mei 1, revisi kesatu: 14 Juni 1, revisi keua: 1 Juni 1, revisi terakhir: 8 Juni 1

4 56 Vol. 9 No. 1 Juni 1 : 53 6 Vol. 9 No. 1 Juni 1 : 53 6 ISSN karena itu suut aya δ an aya listrik P e bertambah secara kontinyu [4]. engan menggunakan kriteria luas sama seperti itunjukkan paa Gambar [4]. ep P e e P mak sin mp 1 P m A 1 c A b e P m a A f a 1 mak Gambar 1. Kriteria luas sama paa perubahan beban menaak Sekarang P m < P e yang menyebabkan motor iperlambat kearah kecepatan serempak hingga δ δ mak, maka kelebihan energi yang tersimpan paa rotor selama perlambatan aalah sebagai berikut : mak ( Pm 1 - Pe ) luas be luas A (6) 1 Dari persamaan (5) an (6) iapatkan suatu hubungan : luas A 1 luas A Persamaan inilah yang ikenal engan metoe luas sama. Gangguan tunggal ari saluran ke tanah aalah yang paling sering terjai, seangkan gangguan 3 fasa aalah yang paling jarang. Untuk keanalan yang sempurna, suatu sistem harus irancang untuk kestabilan peralihan terhaap gangguan tiga fasa paa lokasi yang menimbulkan pengaruh terburuk. Perhatikan Gambar 3 merupakan p sebuah generator i hubungkan ke infinite bus melalui ua kawat pararel. Gangguan tiga fasa sesaat terjai paa salah satu saluran, anggap bahwa aya masukan mekanis P m aalah konstan an mesin beroperasi alam keaaan stabil. Untuk mencari suut pemutus kritis ini apat icari b A 1 c k mak Gambar. Kurva kriteria luas sama untuk gangguan tiga fasa Untuk menentukan waktu pemutus kritis t k, iperlukan penyelesaian persamaan ayunan non linear. Dalam hal ini, imana aya listrik selama gangguan aalah nol, penyelesaian analitik untuk waktu pemutus kritis apat itentukan. Dari persamaan ayunan yang iberikan oleh persamaan () apat itentukan waktu pemutus kritis, imana selama gangguan terjai P e, sehingga waktu pemutus kritis apat itentukan engan mengintegrasi keua sisi kiri an kanan menghasilkan: tk p. f Pm t t H k p. f H Dengan mengintegrasikan sekali iapatkan: 1 p. f. k Pt m k + (7) H imana δ k aalah suut pemutus kritis an aalah waktu pemutus kritis, sehingga P m t p t k t k apat itentukan engan menyelesaikan paa persamaan (7). t k H( k -) p. fp m Jika aya itransfer sebelum gangguan aalah P mak sin δ, selama gangguan aya i transfer aalah r 1 P mak sin δ, seangkan setelah gangguan aya itransfer aalah r P mak sin δ. Naskah iterima : 5 Mei 1, revisi kesatu: 14 Juni 1, revisi keua: 1 Juni 1, revisi terakhir: 8 Juni 1

5 Estimasi Waktu an Suut Pemutus Kritis Paa Sistem Tenaga Listrik Dengan Metoe Luas ISSN Sama Vol. 9 No. 1 Juni 1 : 53 6 Dengan menggunakan kriteria luas sama apat itentukan suut pemutus kritis sebagai berikut: k mak P ( - )- rp sin r P sin -P ( - ) m k 1 mak mak m mak k c (8) Dengan mengintegrasikan keua sisi kiri an kanan iapatkan suut pemutus kritis sebagai berikut: cos k ( P / P )( - ) + rcos -r1cos m mak mak mak r -r 1 Pemoelan Mesin Serempak (9) Dalam penelitian ini igunakan sistem tenaga listrik teriri ari ua buah mesin yang mana mesin 1 sebagai pembangkit aya (generator) an mesin ipasang paa bus Infinite, ua buah Transformator masingmasing trafo 1 sebagai penaik tegangan an trafo sebagai penurun tegangan. Bus infinite paa sistem ibawah ini menyerap sebesar S 1, + j, p.u. TR1 Generator q Gambar 3. Diagram satu garis untuk generator Keterangan Gambar : serempak M1, M Generator an Infinite bus TR1, TR Transformator aya B 1, b ST.15 B1 ST1.35 F ST3. Circuit Breaker F Saluran yang mengalami gangguan Dengan infinite bus paa sistem menyerap aya sebesar S 1, + j, igunakan untuk menentukan suut pemutusan kritis (Clearing Critical Angle) an waktu pemutusan kritis B c TR T1.5 M1.5 M a p.u. VL_ref 1,Ð. Infinite bus (Clearing Critical Time) engan asumsi bahwa H,5. Selanjutnya ilakukan perhitungan reaktansi saluran sebelum terjai gangguan iambil ari Gambar 3. q ( )( + ) j ST 1 ST 3 ST T1 T ST1 + ST 3 + ST ( j,35)( j,+ j,15) j j, + j,5+ + j,5 j,35+ j, + j,15 j, 475 pu (1) Seangkan untuk menghitung reaktansi selama gangguan, semua saluran itanahkan an ihubung Y untuk mencari impeansi pengganti. Aapun Diagram reaktansi seperti itunjukkan paa Gambar 4 [1 ],[5],[6]. E' q j. j.35 j.5 j. 5 j.15 j. 1.Ð Gambar 4. Diagram reaktansi selama 1 ST1 gangguan ( ST1)( ST ) + + ST3 ST ( j,35)( j,15) 1 j. 75pu j,35 + j, + j,15 ( ST1)( ST3) + + ST1 ST3 ST ( j,35)( j,) j. 1pu j,35+ j, + j,15 3 ( ST )( ST 3) + + ST1 ST3 ST ( j,15)( j,) j. 43pu j,35+ j, + j,15 Seangkan reaktansi setelah terjai gangguan B1 an B terbuka apat itentukan engan persamaan (14) sebagai berikut: j q + T1 + ST1 + T Jika harga reaktansi untuk sebelum, selama an setelah gangguan telah iapatkan, maka Naskah iterima : 5 Mei 1, revisi kesatu: 14 Juni 1, revisi keua: 1 Juni 1, revisi terakhir: 8 Juni 1

6 58 Vol. 9 No. 1 Juni 1 : 53 6 Vol. 9 No. 1 Juni 1 : 53 6 ISSN harga r 1 an r apat icari untuk menentukan suut pemutus kritis engan persamaan sebagai berikut: r sebelum- gangguan 1, selama- gangguan r HASIL DAN PEMBAHASAN sebelum-gangguan setelah- gangguan Pengujian an analisa program engan membuka breaker engan suut pemutus lebih kecil ari suut pemutus kritis an sebaliknya engan membuka breaker engan suut pemutus lebih besar ari suut pemutus kritis. Paa Gambar.5. sebelum gangguan, aya yang apat i pancarkan aalah P sin, maks selama gangguan aya tersebut aalah r sin, seangkan rp sin an δ 1Pmaks maks aalah aya yang apat ipancarkan setelah gangguan tersebut iputuskan engan saklar paa saluran paa saat δ δ k, seperti paa δ k aalah suut pemutusan kritis. Suut motor maju ari δ ke suut pemutus kritis δ k yang berarti terjai transisi atau perubahan. Berikut aalah hasil simulasi yang itunjukkan paa Gambar 5. Gambar 5. Kriteria Luas sama untuk menentukan suut pemutus kritis Dari hasil simulasi terlihat engan waktu pemutusan. etik, maka iperoleh waktu pemutus kritis.139 etik an suut pemutus kritis erajat engan ayunan suut maksimum erajat. Suut motor maju ari δ ke suut pemutus kritis δ k yang berarti berubah ari titik B ke titik C. bila gangguan ihilangkan paa suut δ k, keluaran aya listrik menaak naik ke titik D paa lengkung suut aya. Paa titik D, keluaran aya listrik P e melebihi masukan aya mekanis P m sehingga aya Percepatan P a aalah negatif. Akibatnya kecepatan rotor menurun sementara P e berubah ari titik D ke titik E. Paa titik E kecepatan rotor kembali serempak meskipun suut rotor suah maju sampai δ mak. Suut δ mak itentukan ari kriteria luas sama yaitu A 1 A KURVA AYUNAN Waktu Pemutusan.5etik 3 Waktu pemutus kritis.139 Delta, erajat 4.5 Pe,per unit D A A --- E A1 C B Suut kerja awal Suut pemutus kritis / / erajat / erajat / /\ Ayunan Suut Suut aya,erajat maksimum erajat Waktu, etik Gambar 6. Hubungan waktu an suut paa pemutusan.5 etik Naskah iterima : 5 Mei 1, revisi kesatu: 14 Juni 1, revisi keua: 1 Juni 1, revisi terakhir: 8 Juni 1

7 Estimasi Waktu an Suut Pemutus Kritis Paa Sistem Tenaga Listrik Dengan Metoe Luas ISSN Sama Vol. 9 No. 1 Juni 1 : 53 6 Delta, erajat Waktu, etik 3 5 KURVA AYUNAN Waktu Pemutusan.3etik Gambar 7. Hubungan waktu an suut paa pemutusan.3 etik KURVA AYUNAN Gambar 6 an Gambar 7 bahwa pemutusan paa etik.5 an etik.3 menunjukkan sistem masih alam konisi stabil karena grafik menunjukkan terjainya ayunan hal ini terjai jika suut pemutusan kurang ari suut pemutusan kritis. Seangkan iuji paa pemutusan etik.33 an etik.34 terlihat alam grafik paa Gambar 8 an Gambar 9 menunjukkan sistem tiak stabil karena grafik menunjukkan tiak terjainya ayunan hal ini isebabkan suut pemutusan lebih ari suut pemutusan kritis engan emikian apat inyatakan bahwa waktu pemutusan paling maksimal paa.3 etik. Delta, erajat Waktu Pemutusan.33etik Waktu, etik Gambar 8. Hubungan waktu an suut paa pemutusan.33 etik KESIMPULAN DAN SARAN Dengan menggunakan moel sistem tenaga listrik yang teriri ari sebuah mesin an satu bus infinite engan saluran transmisi gana imana gannguan tiga fasa terjai paa salah satu saluran maka engan metoe kriteria luas sama menggunakan simulasi matlab apat isimpulkan : Delta, erajat KURVA AYUNAN Waktu Pemutusan.34etik Waktu, etik Gambar 9. Hubungan waktu an suut paa pemutusan.34 etik Dengan menguji kestabilan sistem tenaga listrik engan kurva ayunan terlihat alam grafik paa 1. Dari sistem tenaga listrik tersebut iapatkan nilai suut kerja awal 3,457, suut pemutus kritis 15,839, suut ayunan maksimum 147,4, an waktu pemutusan kritis, etik.. Sistem menunjukkan alam konisi stabil paa pemutusan etik.5 an etik.3 engan terjainya ayunan hal ini terjai jika suut pemutusan kurang ari suut pemutusan kritis. 3. Sistem menunjukkan tiak stabil paa pemutusan etik.33 an etik.34 itunjukkan tiak terjainya ayunan hal ini Naskah iterima : 5 Mei 1, revisi kesatu: 14 Juni 1, revisi keua: 1 Juni 1, revisi terakhir: 8 Juni 1

8 6 Vol. 9 No. 1 Juni 1 : 53 6 Vol. 9 No. 1 Juni 1 : 53 6 ISSN isebabkan suut pemutusan lebih ari suut pemutusan kritis engan emikian apat inyatakan bahwa waktu pemutusan paling maksimal paa.3 etik. 4. Bila waktu pemutusan. etik, maka iperoleh perkiraan waktu pemutus kritis.139 etik an suut pemutus kritis erajat engan ayunan suut maksimum erajat Saran Dari hasil kajian yang ilakukan isarankan menseting breaker terbuka engan suut pemutusan lebih kecil atau sama engan suut pemutus kritis karena paa saat terjai gangguan paa sistem tenaga listrik yang menaak an besar akan iapatkan kestabilan sistem kembali normal masih aa. Akurasi perkiraan paa program simulasi ini apat iperbaiki engan moel preiksi yang memiliki kemampuan lebih baik guna ikembangkan untuk masalah estimasi waktu an suut pemutus kritis paa kestabilan sistem tenaga listrik yang multi mesin. [4]. Ashaf Mohame Hemeia. Improvement of Voltage stability an Critical Clearing Time for Multi-machine Power Systems Using Static VAR Compensator. ICGST- ACSE Journal, ISSN , Volume 9, Issue II, December 9. [5]. Stevenson, W.D., Kamal Iris, Penterjemah, Analisis Sistem Tenaga Listrik, Erlangga,.Jakarta 5. [6]. Schei, Francis, Penterjemah.Pantur Silaban Ph.D, Analisis Numerik Teori an Soal-Soal, Erlangga Jakarta,. DAFTAR ACUAN [1]. John Wiley & Sons, Gross, C.A, Power System Analysis, New York, []. Rourkela, Transient stability analysis using equal area criterion, Department of Electrical Engineering National Institute of Technology, 8. [3]. Hanselman D., an B. Littlefiel, Matlab Bahasa Komputasi Teknis, Penerbit Ani Yogyakarta,. Naskah iterima : 5 Mei 1, revisi kesatu: 14 Juni 1, revisi keua: 1 Juni 1, revisi terakhir: 8 Juni 1