STUDI STABILTAS TRANSIEN DI PT PERTAMINA UP IV CILACAP AKIBAT PENAMBAHAN PABRIK BARU

Transkripsi

1 STUDI STABILTAS TRANSIEN DI PT PERTAINA UP IV CILACAP AKIBAT PENABAHAN PABRIK BARU Abstrak : Pertamina UP IV Cilacap adalah sistem yang sangat besar dan kompleks. Sistem disuplai dari (delapan) unit generator, yaitu 4 unit generator dengan kapasitas, 4 unit generator dengan kapasitas. Pembangkit mempunyai tegangan 13. kv, sedangkan beban umumnya pada tegangan 3.45 kv dan 0.4 kv. Pendistribusian daya listrik dari Bus pembangkit ke beban pada substation - substation mengunakan transformator dari 13.kV/3.45 kv. Sistem kelistrikan eksisting UP IV disuplai Generator dengan total daya rating generator 11. Sedangkan konsumsi daya listrik sekitar 69. Dengan adanya penambahan pabrik baru dibutuhkan analisis kestabilan transien agar mengetahui kestabilan sistem dan performansi load shedding jika terjadi suatu gangguan sistem tenaga listrik, misalnya tripnya generator, beban mati dan hubung singkat. Pada makalah ini akan dianalisis Kestabilan transien sistem kelistrikan PT Pertamina UP IV Cilacap Kata Kunci : Kestabilan transien, Load Shedding I. PENDAHULUAN Dalam keadaan operasi yang stabil dari sistem tenaga listrik, terdapat keseimbangan antara daya input mekanis pada prime mover dengan daya output listrik (beban lsitrik) pada sistem. Dalam keadaan ini semua generator berputar dalam keadaan sinkron. Jika terjadi suatu gangguan, maka sesaat akan terjadi perbedaan yang besar antara daya input mekanis dan daya output listrik dari generator. Kelebihan daya input mekanis mengakibatkan percepatan pada putaran rotor generator dan sebaliknya. Bila gangguan tidak dihilangkan dengan segera, maka percepatan atau perlambatan putaran rotor generator akan mengakibatkan hilangnya sinkronisasi dalam sistem. Stabilitas sistem tenaga listrik dapat didefinisikan sebagai kemampuan suatu sistem tenaga listrik atau bagian komponennya untuk mempertahankan sinkronisasi dan keseimbangan dalam sistem. Batas stabilitas sistem adalah daya meksimum yang dapat mengalir melalui suatu titik dalam sistem tanpa menyebabkan hilangnya stabilitas II. KESTABILAN TRANSIEN DAN PELEPASAN BEBAN.1 Definisi Kestabilan Kemampuan dari suatu sistem tenaga, yang terdapat dua atau lebih mesin sinkron di dalamnya, untuk mempertahankan pengoperasian setelah terjadi perubahan pada sistem dapat diukur dari tingkat kestabilannya. Ulil Amri Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya Permasalahan yang menarik dan sering dialami oleh sistem kelistrikan terutama di industri adalah saat sistem tenaga yang beroperasi pada keadaan mantap (steady) mengalami gangguan sehingga menyebabkan ketidaksinkronan sudut tegangan dari mesin sinkron. Jika terjadi ketidakseimbangan antara pembangkit dan beban, akan menghasilkan sebuah kondisi operasi yang mantap yang baru melalui pencocokan kembali sudut tegangan. Gangguan ini dapat berupa lepasnya sebuah generator, hubung singkat, lepasnya saluran atau kombinasi. Dapat juga berupa beban kecil atau perubahan beban acak selama kondisi operasi normal. Kestabilan Tenaga Listrik Gangguan transien selalu mengikuti sebuah gangguan sistem yaitu osilasi pada kondisi normal, tetapi jika sistem stabil osilasi akan teredam. Osilasi mencerminkan adanya aliran daya pada suatu saluran transmisi. Jika pada suatu saluran interkoneksi pada dua grup mesin terjadi fluktuasi, mungkin peralatan proteksi akan bekerja dengan memutus kedua grup mesin tersebut. hal ini adalah merupakan peramasalahan stabillitas jaringan ikat (antar pembangkit). Berdasarkan sifat dan besarnya gangguannya, masalah stabilitas dalam sistem tenaga listrik dibedakan atas, stabilitas steady state, stabilitas transient, dan stabilitas dinamis. Stabilitas steady state adalah kemampuan dari suatu sistem tenaga mempertahankan sinkronisasi antara mesin-mesin dalam sistem setelah mengalami gangguan kecil. Stabiltas transient adalah kemampuan dari suatu sistem tenaga mempertahankan sinkronisasi setelah mengalami gangguan besar yang bersifat mendadak selama sekitar satu swing (yang pertama) dengan asumsi bahwa pengatur teganngan otomatis (AVR) dan governor belum bekerja. Stabilitas dinamik terjadi bila setelah swing pertama (periode stabilitas transient) sistem belum mampu mempertahankan sinkronisasi sampai sistem mencapai keadaan seimbang yang baru 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. Jika terjadi gangguan, maka sesaat akan terjadi perbedaan yang besar antara daya input mekanis dan daya output listrik dari Proseding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 1 dari 6

2 generator. Kelebihan daya mekanis terhadap daya listrik mengakibatkan percepatan pada putaran rotor generator atau sebaliknya. Bila gangguan ini tidak dihilangkan dengan segera, maka percepatan atau perlambatan putaran rotor generator akan mengakibatkan hilangnya sinkronisasi dalam sistem.3 Dinamika Rotor Dan Persamaan Ayunan Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu mesin serempak didasarkan pada prinsip dasar dinamika yang menyatakan bahwa momen putar percepatan (accellerating torque) adalah hasil kali dari momen-momen kelembaman (moment of inertia) rotor dan percepatan sudutnya. Dalam sistem unit-unit KS dan untuk generator serempak, persamaan ini dapat ditulis dalam bentuk: J d m = T a = T m T e N-m (.1) dt.4 Stabilitas Transien Kestabilan transien merupakan kemampuan sistem tenaga untuk mencapai kondisi stabil operasi baru yang dapat diterima setelah sistem mengalami gangguan besar.studi kestabilan transien diperlukan untuk memastikan kemampuan sistem untuk bisa menahan kondisis transien.5 Gangguan Terhadap Stabilitas.5.1 Gangguan Hubung Singkat Gangguan hubung singkat dapat menyebabkan tegangan di daerah gangguan menih besjadi bernilai nol,hal ini dapat menyebabkan Pm lebih besar dari nilai Pe yang mengakibatkan percepatan rotor generator.5. Starting otor Arus yang besar pada saat starting motor dengan power factor yang rendah menyebabkan terjadinya drop tegangan pada sistem tenaga listrik. Besarnya arus tersebut juga menyebabkan rugi-rugi daya aktif pada saluran bertambah besar sehingga dapat menurunkan frekuensi dari generator. Start motor induksi yang besar menyebabkan penurunan atau drop tegangan yang terjadi pada sistem tenaga listrik. Drop tegangan ini terjadi karena besarnya arus pada saat start motor yang melewati impedansi seperti trafo, saluran transmisi dan lain lain.5.3 Penambahan Beban Secara Tiba tiba Penambahan beban pada suatu sistem tenaga listrik dapat mengakibatkan timbulnya gangguan peralihan Jika beban dinaikkan sampai terjadi osilasi, sehingga menyebabkan sistem mengalami ayunan yang melebihi titik kritis yang tidak dapat kembali seperti semula.6 Sistem Pengoperasian Load Shedding Dalam gambar.1 dimisalkan bahwa frekuensi menurun menurut garis. Setelah mencapai titik B dilakukan pelepasan beban tingkat pertama oleh Under Frekuensi Relay (UFR) yang bekerja setelah mendeteksi frekuensi sebesar FB. Dengan adanya pelepasan beban tingkat pertama maka penurunan frekuensi berkurang kecepatannya, sampai di titik C UFR mendeteksi frekuensi sebesar FC dan akan melakukan pelepasan beban tingkat ke dua. FO FE Frekwensi (Hertz) FB FC 0 A ta 3 1 B tb Setelah pelepasan beban tingkat kedua frekuensi sistem tidak lagi menurun tapi menunjukkan gejala yang baik yaitu naik kembali menuju titik D. Naiknya frekuensi dari titik C menuju titik D disebabkan karena daya yang masih tersedia dalam sistem adalah lebih besar daripada beban setelah mengalami pelepasan beban tingkat kedua. ulai dari titik D, yaitu setelah proses tersebut di atas berlangsung selama TD. Governor unit-unit pembangkit dalam sistem mulai melakukan pengaturan primer. TD berkisar sekitar 4 detik. Periode sebelum governor melakukan pengaturan primer disebut periode transien dan ini berlangsung selama kira-kira 4 detik. Setelah governor melakukan pengaturan primer maka frekuensi mencapai titik FE yaitu kondisi pada titik E. Kemampuan governor melakukan pengaturan primer sangat tergantung kepada besarnya spinning reserve yang masih tersedia dalam sistem. Seandainya unit-unit pembangkit yang masuk (paralel) keadaan sistem mempunyai kemampuan pembangkitan 100 tetapi bebannya baru 70 maka dikatakan bahwa spinning reserve masih = 30. Setelah mencapai titik E masih ada deviasi frekuensi sebesar F terhadap frekuensi yang diinginkan yaitu Fo dan deviasi ini dikoreksi dengan pengaturan sekunder yang dimulai pada titik F dan frekuensi menjadi normal kembali pada titik G. III. SISTE KELISTRIKAN PT PERTAINA UP IV CILACAP Sistem kelistrikan di Unit Pengolahan IV Pertamina Cilacap merupakan sistem kelistrikan yang cukup besar dan kompleks. Sistem kelistrikan di UP IV PT.Pertamina ditunjang oleh pembangkit besar dengan kapasitas yang juga sangat besar yaitu 4 unit pembangkit dengan kapasitas dan 4 unit pembangkit dengan tc C D td te E F F G tf tg Gambar.1. perubahan frekuensi sebagai fungsi waktu dengan adanya pelepasan beban aktu (detik) Proseding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman dari 6

3 . Sistem kelistrikan di UP IV Pertamina memiliki 3 subsation, dimana masing-masing substation memikul beban statis dan motor. Untuk memudahkan dalam pengoperasian, Unit pengolahan IV Pertamina dibagi menjadi 3 daerah utility. Tiap tiap utility memiliki beberapa pembangkit yang terhubung dengan bus bus distribusi uang terbagi dalam beberapa feeder selanjutnya feeder-feeder ini terhubung dengan substation dalam suatu jaringan radial IV. SIULASI DAN ANALISA 4.1 Total pembangkitan dan beban PT UP IV Cilacap Tabel 4.1 Total Pembangkitan dan beban PT Pertamina UP IV Cilacap var VA % PF Swing Bus(es): Lagging Generators: Lagging Total Demand: Lagging Total otor Load: Lagging Total Static Load: Apparent Losses: System ismatch: 0 0 Total pembangkitan di Pertamina UP IV Cilacap sebesar 7,04 VA dengan power faktor 7,71 % lagging terdiri dari Generator yang dioperasikan swing sebesar 13,39 VA power faktor 9.43 % lagging dan Generator yang dioperasikan sebagai Voltage control sebesar 65,46 VA dengan power faktor 7,35 % lagging. Sedangkan untuk beban,total beban motor yang ada di Pertamina UP IV Cilcap sebesar dan total beban statis yang ada sebesar.1 4. Kasus dan Konfigurasi Tabel 4. Kasus Kasus TS Case 1 TS Case TS Case 3 TS Case 3a TS Case 4 TS Case 5 Keterangan Semua Generator ON, Gen 051G10 ( ) Trip Semua beban (termasuk boiler dan tangki baru) ON Operasi Normal, Gen 051G10 ( ) Trip Semua beban (Termasuk boiler dan tangki baru ) ON Generator 051G103 dan 51G1 "OFF " Gen 051G10 Trip Generator 051G103 dan 51G1 "OFF " Gen 051G10 Trip, pelepasan bebas / load shedding Gangguan Hubung Singkat di Bus 3.45 kv Saat Generator 051G103 dan 51G1 "OFF" Starting motor 60K101B Saat Generator 051G103 dan 51G1 "OFF" Dari kasus pada tabel 4. dianalisa kestabilan transien di PT Pertamina UP IV Cilacap adalah gangguan generator trip, hubung singkat dan starting motor Dari kasus diatas, untuk kasus gangguan berupa generator trip dan hubung singkat dianalisa respon generator dan beberapa bus yang dapat digunakan sebagai indikasi stabilitas transient sistem. Bus tersebut adalah: 1. 50EE501 : Bus utama sistem yang mewakili bus dibawah generator utility plan I. 500EE0001: Bus utama sistem yang mewakili bus dibawah generator utility plan IIA 3. 05EE0101A: Bus utama sistem yang mewakili bus di bawah generator utility plan II 4. Bus 57 : Bus sistem yang mewaikili profil tegangan 13., kv 5. 01EE110B : Bus sistem yang mewakili profil tegangan 3,45 kv 6. 01EE1003B : Bus sistem yang mewakili profil tegangan 0.4 kv Sedangkan untuk kasus motor starting dianalisa respon frekuensi dan tegangan beberapa bus yang dapat digunakan sebagai indikasi stabilitas transien sistem. Bus tersebut adalah : 1. 01EE1A : Bus yang terhubung langsung dengan motor yang distart. 01EE1B : Bus yang berdekatan dengan bus dengan motor yang distart EE0001 : Bus utama yang mewakili bus dibawah generator di utility plan IIA 4.3 Simulasi stabilitas transien TS case 1:Semua generator on, gen 051G10 ( ) trip semua beban (termasuk boiler dan tangki baru) on Pada kasus ini akan disimulasikan sistem kelistrikan PT Pertamina UP IV Cilacap dalam kondisi pembebanan maksimu yaitu semua pembangkitan dalam kondisi on kemudian terjadi gangguan generator 051G10 trip Gambar 4.1 ResponFrekuensi Generator sistem saat pembebanan maksimum Dari gambar 4.1 frekuensi generator turun setelah terjadi gangguan didetik ke 3 penurunan frekuensi generator menyentuh 49,4 Hz pada detik 4,9 kemudian naik dan kembali keadaan steady state 49,75 Hz. Pada gambar 4. respon frekuensi bus sistem mengalami penurunan setalah terjadi gangguan di detik ke 3, frekuensi bus sistem mengalami penurunan sampai 9,54 % atau 49.4 Hz dan frekuensi naik dan mencapai keadaan steady state 99,57 % Proseding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 3 dari 6 Frekuensi (Hz) Respon Frekuensi Generator aktu (s) Frekuensi

4 atau 49,75 Hz. Dengan demikian dapat disimpulkan respon frekuensi bus sistem sama dengan respon frekuensi generator. Gambar 4.4 Respon frekuensi bus saat gangguan operasi normal Gambar 4. ResponFrekuensi Bus saat gangguan pembebanan maksimum Gambar 4.5 Respon tegangan bus saat gangguan operasi normal Gambar 4.3 Respon tegangan bus sistem saat gangguan pembebanan maksimum A Gambar 4.4 pembebanan generator saat gangguan pembebanan maksimum Pada gambar 4.3 ditunjukkan respon tengangan setelah terjadi gangguan didapat respon tegangan setelah terjadi gangguan pada kondisi steady state masih dalam batas aman,diatas 95 %. Kemudian pembebanan generator bekerja masih dalam batas normal dibawah daya mampu generator dapat ditunjukkan pada gambar TS Case :Operasi normal, generator 051G10 ( ) trip semua beban (termasuk boiler dan tangki baru) on Pada kasus ini disimulasikan sistem kelistrikan normal PT Pertamina UP IV Cilacap, generator 51G dalam kedaan off dan terjadi gangguan generator 051G10 tiba-tiba trip. Gambar 4.6 Respon pembebanan generator saat gangguan operasi normal Pada gambar 4.4 ditunjukkan respon frekuensi bus sistem setelah terjadi gangguan frekuensi sistem turun mencapai 9,57 % atau 49, Hz dan kembali dalam keadaan steady state 99,3 % atau 49,69 Hz. Pada gambar 4.5 ditunjukkan respon tegangan bus sistem saat terjadi gangguan. respon semua tegangan di bus sistem mengalami drop tengangan dan kemudian kembali dalam kondisi steady state diatas 95 %. Pada gambar 4.6 ditunjukkan respon pembebanan generator. Setelah terjadi gangguan respon pembebanan generator mengalami osislasi kemudian kembali stabil pada keadaan kondisi steady state dalam batasan normal TS Case 3 :Generator 051G103 dan 51G1 "off " generator 051G10 trip Pada kasus ini akan disimulasikan generator 051G103 dan 51G1 x dalam keadaan mati atau off hal ini dikarenakan adanya maintenenece generator dan kemudian terjadi gangguan generator 051G10 lepas dari sistem. Sebelum dilakukan simulasi perlu dilakukan pelepasan beban sebesar,4 karena pembebanan generator dalam keadaan maksimal. Proseding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 4 dari 6

5 ID Rating daya Daya mamp u Daya output Tabel 4.1 pembebanan generator saat X off 51 G1 51 G 51 G3 Generator G30 G G G G Gambar 4.10 Respon frekuensi bus sistem saat gangguan X off pembangkit GTG KD adalah Directional Over Current Relay 67Q (DOCR 67Q) sehingga menyebabkan CB di tie-in (VCB1) terbuka pada t = 1. detik.. Akibat gangguan lepasnya pembangkit GTG KD, menyebabkan beban yang ditanggung STG KPI jauh lebih besar daripada kapasitas generator (karena juga harus menanggung beban KD), sehingga frekuensi generator KPI terus turun hingga mencapai 4.39 Hz begitu juga tegangan bus HSG1-KPI turun hingga mencapai 6.37 % atau sebesar 6,6 kv dari tegangan nominal 11 kv, atau dapat dikatakan sistem KPI menjadi collapse. 3. Agar sistem KPI mampu kembali stabil dan STG KPI tidak trip saat terjadi gangguan lepasnya pembangkit GTG KD ataupun Loss Excitation, perlu dilakukan pelepasan pembangkit (Load Shedding) sebesar 346 k sesuai dengan skema yang telah ditentukan. 4. Selain itu perlu dilakukan setting ulang Underfrequency STG KPI menjadi 4.5 Hz delay 5 detik. Hal ini dilakukan agar frekuensi generator kembali stabil sebelum Underfrequency pick up dan menyebabkan CB GEN KPI terbuka, saat GTG KD mengalami gangguan Loss Excitation. 5. Pada konfigurasi sistem KPI disuplai oleh STG KPI, GTG KD dan Sistem Integrasi, baik saat terjadi gangguan lepasnya pembangkit maupun gangguan loss of excitation, sistem masih dianggap stabil, meskipun respon tegangan pada bus HSG1-KPI mengalami penurunan tapi masih memenuhi standart dan di atas setting rele yang ada. DAFTAR PUSTAKA Gambar 4.11 Respon tegangan bus sistem saat gangguan X off PENUTUP Berdasarkan hasil yang didapatkan dari simulasi dan analisis pada tugas akhir ini, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Saat sistem KPI disuplai oleh STG KPI paralel dengan GTG KD sedangkan Sistem Integrasi OFF, rele yang pertama kali pick up saat terjadi ganggaun lepas [1] American National Standards Institute, IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power System, IEEE Std 4-6 [] ANSI/IEEE C , IEEE Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants. [3] ANSI C4.1-9, American National Standard for Electric Power Systems and Equipment. [4] Hadi Saadat, Power System Analysis, cgraw-hill Inc., 99. [5] IEEE Std C , IEEE Guide for AC Generator Protection. [6] Imam Robandi, argo Pujiantara, Analisa Sistem Tenaga [Pengantar stabilitas Dinamik] Proyek Percepatan Pendidikan Insinyur 96/97 FTI ITS, 97. [7] Imam Robandi, Desain Sistem Tenaga odern Andi Yogyakarta, 06. [] John Berdy, General Electric Company, Electric Utility Engineering Operation, Load Shedding an Aplication Guide - LoadShedding, Load Restorationand Generator Protection Using Electromechanical Underfrequency Relay, Schenectady, New York, 6. [9] Penangsang, Ontoseno. Diktat Kuliah Analisis Sistem Tenaga Listrik. Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. [10] Penangsang, Ontoseno. Diktat Kuliah Peningkatan Kualitas Daya. Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. [11] Roger C. Dugan, Surya Santoso, ark F. cgranaghan, H. ayne Beaty Electrical Power System Quality (second edition), cgraw-hill Inc, 0. RIAYAT HIDUP PENULIS Proseding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 5 dari 6

6 Penulis bernama lengkap Candra Agus Dwi ahyudi dilahirkan pada tanggal 17 Agustus 6 di ojokerto, Jawa Timur. Lahir sebagai anak kedua dari dua bersaudara pasangan ulyatno dan Sukesi. Setelah lulus dari SU Negeri 1 Sooko ojokerto pada tahun 04. Penulis diterima sebagai mahasiswa Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS program Diploma dan lulus pada tahun 07, dan melanjutkan pendidikan program Sarjana di Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Penulis pernah aktif sebagai asisten Laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik. Proseding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Halaman 6 dari 6