ANALISIS KESTABILAN TRANSIEN BERBASIS CRITICAL CLEARING TIME PADA PT. PUPUK SRIWIDJAJA PALEMBANG

Transkripsi

1 ANALISIS KESTABILAN TRANSIEN BERBASIS CRITICAL CLEARING TIME PADA PT. PUPUK SRIWIDJAJA PALEMBANG Angky Inggita Putra, Margo Pujiantara, Ardyono Priyadi Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya Abstrak PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang adalah salah satu unit perusahaan yang bergerak pada bidang industri pupuk urea dan bahan kimia. Dalam memenuhi suplai daya listrik, PT. Pupuk Sriwidjaja menggunakan empat generator, namun seiring bertambahnya permintaan masyarakat, PT. Pupuk Sriwidjaja membangun satu unit pabrik baru sehingga mempunyai lima generator sampai saat ini. Dalam penambahan pabrik baru ini, secara tidak langsung merubah CCT pada sistemnya, sehingga perlu dilakukan analisis stabilitas transien untuk mengetahui ketahanan dan kehandalan sistem pada saat terjadi gangguan transien. Dalam tugas akhir ini analisis yang dilakukan meliputi kestabilan transien dan pengambilan kritis akibat short circuit tiga fasa pada sistem. Software yang digunakan pada analisis ini yaitu ETAP dan MATLAB. Dengan memisalkan terjadinya gangguan pada bus setiap unit dan mendapatkan nilai CCT, pada setiap gangguan yang terjadi, dan dengan membandingkan hasil analisis CCT menggunakan etap dengan menggunakan Matlab, diharapkan mendapatkan nilai CCT yang tepat dan kestabilan sistem yang handal. Dari hasil analisis menggunakan Matlab dan Etap, rata- rata eror yang didapatkan sebesar 6.89% Kata Kunci : kestabilan transien, gangguan besar, critical clearing time I. PENDAHULUAN PT. Pupuk Sriwidjaja merupakan perusahaan Badan Usaha Milik Negara yang didirikan sebagai pelopor produsen pupuk urea di Indonesia pada tanggal 24 Desember 1959 di Palembang Sumatera Selatan, dengan nama PT Pupuk Sriwidjaja (Persero). Pusri memulai operasional usaha dengan tujuan utama untuk melaksanakan dan menunjang kebijaksanaan dan program pemerintah di bidang ekonomi dan pembangunan nasional, khususnya di industri pupuk dan kimia lainnya. Seiring bertambahnya permintaan masyarakat PT. Pupuk Sriwidjaja membangun satu pabrik baru sehingga sampai saat ini PT. Pupuk Sriwidjaja memiliki lima pabrik. Masing-masing pabrik memiliki satu generator yang disinkronkan dengan pabrik lain. Generator pada Pabrik I menyuplai daya 18,35MW, generator pada Pabrik II dan Pabrik III menyuplai daya 18,35MW, pada Pabrik IV menyuplai daya sebesar 21,8MW, sedangkan Pabrik V yang merupakan pabrik baru menyuplai daya sebesar 35MW. Pada sistem exsisting terdapat bus sinkron 13,8kV, namun penambahan pabrik baru menyebabkan penambahan bus baru 33kV untuk mengurangi rugi dalam penyaluran daya antar unit pabrik. Dengan meningkatkan kapasitas daya pembangkitan diharapkan PT. Pupuk Sriwidjaja lebih handal dan mampu bertahan saat terjadi gangguan transien. Untuk memperjelas bahasan dari tugas akhir ini perlu adanya pembatasan masalah. Adapun batasan tersebut adalah meliputi : 1) Bagaimana Analisa Transien di PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang dengan penambahan unit baru yang dilakukan dengan memperhatikan respon sudut rotor generator 2) Gangguan akibat terjadi gangguan hubung singkat pada bus. 3) Perangkat lunak yang digunakan yaitu ETAP 4 dan Matlab. II. TEORI PENUNJANG 2.1 Sistem Tenaga Listrik dapat dikatakan kemampuan suatu sistem dapat kembali beroperasi pada kondisi seimbang setelah pada saat dan setelah terjadi gangguan [2]. ini juga berlaku pada multimesin atau generator yang dihubungkan sinkron. Gangguan yang dimaksud dapat gangguan kecil maupun gangguan yg besar[8]. Gangguan kecil bisa disebabkan dari perubahan beban secara terus menerus, untuk gangguan yang besar sendiri dapat terjadi ketika terjadi short circuit pada saluran. Gangguan pada sistem menimbulkan perbedaan arus dan perbedaan tegangan pada setiap bus yang mengakibatkan ketidakseimbangan antara daya input mekanis dari prime mover dan daya output listrik generator yang berakibat pada perlambatan dan percepatan pada putaran rotor generator. Dalam sistem tenaga listrik, kestabilan sistem tenaga di klasifikasikan menjadi [1] : Sudut Rotor sudut akibat gangguan singkat Ketabilan Transien singkat Sistem Tenaga Frekuensi lama tegangan akibat gangguan singkat Tegangan Gambar 2.1. Klasifikasi kestabilan sistem tenaga tegangan akibat gangguan lama Halaman 1 dari 6

2 a) Sudut Rotor sudut rotor adalah kemampuan dari generator yang terinterkoneksi untuk mempertahankan sinkronisasinya saat dan setelah terjadi gangguan. Hal yang perlu dipertahankan oleh generator adalah keseimbangan antara torsi mekanis dan torsi elektris. Jika terjadi ketidak seimbangan antara torsi mekanis dan torsi elektris, maka dapat menyebabkan perubahan susdut ayunan sehingga terjadi hilang singkronisasi dengan generator lainnya. Faktor utama yang menyebabkan perubahan sudut ayunan adalah sering berubahnya daya output dari generator. b) Frekuensi frekuensi dapat dikatakan kemampuan dari sistem tenaga listrik untuk mempertahankan agar frekuensi sistem tetap stabil setelah terjadi gangguan yang diakibatkan ketidakseimbangan antara suplai daya dan beban. c) Tegangan tegangan mengacu pada kemampuan sistem tenaga listrik untuk mempertahankan kestabilan tegangan pada setiap bus dalam sistem setelah terjadinya gangguan. Ketidakstabilan dapat menyebabkan terjadinya kenaikan ataupun penurunan tegangan pada beberapa bus. Faktor utama yang menyebabkan ketidakstabilan tegangan pada sistem adalah aliran daya reaktif dan daya aktif melalui reaktansi induktif pada jaringan transmisi 2.2 Transien transien dapat didefinisikan sebagai ketahananan dari sistem tenaga untuk mempertahankan sinkronisasi setelah mengalami gangguan besar sesaat selama satu ayunan pertama. Hal ini berkaitan pada kemampuan keseimbangan antara torsi mekanik dan torsi elektromagnetik pada setiap mesin sinkron. Apabila kesetimbangan terganggu maka akan terjadi perbedaan antara torsi mekanik dan torsi elektromagnetik yang menyebabkan percepatan atau perlambatan putaran rotor generator. Disini batasan transien stability adalah 180⁰[8]. 2.3 Dinamika Rotor dan Persamaan Ayunan Pengaturan gerakan suatu mesin sinkron telah didasarkan pada prinsip bahwa momen percepatan (accellerating torque) merupakan hasil kali dari momen inersia motor dan percepatan sudut.. ω Gambar 2.1 Representasi Rotor Generator yang Membandingkan Arah Perputaran Serta Momen Putar Mekanis dan Elektris Dimana T m adalah torsi mekanik dari rotor generator yang bersifat mempercepat putaran rotor. Pada keadaan steady state besar torsi mekanik (T m ) sama besar dengan torsi elektris (T e ) sehingga tidak terjadi percepatan dan perlambatan pada rotor generator. Tetapi pada keadaan tidak stabil, besar T e dan T m sehingga rotor pada generator dapat mengalami percepatan atau perlambatan[7]. Hal tersebut sesuai dengan[4]: J d2 θ m dt 2 (2.1) = T a = T m T e N m dimana: 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, dalam detik T a T m : Momen putar percepatan bersih, dalam Nm : Momen putar mekanis atau poros (penggerak) yang diberikan oleh penggerak mula dikurangi dengan momen putar perlambatan (retarding) yang disebabkan oleh rugi-rugi perputaran, dalam Nm T e : Momen putar elektris atau elektromagnetis bersih, dalam Nm 2.4 Critcal Clearing Time (CCT) Critical clearing Time adalah yang diijinkan untuk memutuskan gangguan agar generator tidak mengalami lepas sinkron. Apabila gangguan diputus kurang dari kritis (Critical Clearing Time) yang telah ditentukan maka generator akan kembali stabil, namun apabila gangguan diputus melebihi dari kritis (Critical clearing Time) yang telah ditentukan maka generator akan berada pada kondisi tidak stabil dan dapat lepas sinkron. III. SISTEM KELISTRIKAN PT.PUPUK SRIWIDJAJA PALEMBANG Sistem kelistrikan PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang ini cukup kompleks dan rumit seiring ditambahnya satu unit pabrik baru. Sehingga untuk analisa Tugas Akhir ini digunakan Single Line Diagram yang telah disederhanakan dengan merubah semua beban pada PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang menjadi Lumped Load. PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang mempunyai lima unit pabrik. Masing-masing unit pabrik memiliki pembangkit diantaranya Pabrik I (unit 2006-J) menyuplai daya sebesar 18.35MW, generator pada Pabrik II (unit 3006-J) dan Pabrik III menyuplai daya 18,35MW (4006-J), pada Pabrik IV (5006-J) menyuplai daya sebesar 21,8MW. sedangkan Pabrik V (STG-1) yang merupakan pabrik baru menyuplai daya sebesar 35MW. 3.1 Single Line Diagram Sistem Kelistrikan PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang Halaman 2 dari 6

3 ` 2006-J 3006-J 4006-J 5006-J MVA MVA 2 MVA MVA MVA 8 MVA 33 kv T-Synbus OLD New T-STG MVA Gambar 3.1 Single Line Diagram PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang 3.2 Data Generator PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang Berikut adalah tabel data kapasitas dan model impedansi pembangkit pada PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang. Tabel 3.1 Kapasitas dan Impedansi Pembangkit MVA MVA STG-1 UNIT GENERATOR KAPASITAS KETERANGAN DAYA PS STG 1 STG-1 35 MW ; pf 85%; MVA; Eff 95%; 2 Poles; operating MW Xd : 12.5; Xd : 2; X/R: 48; Xo: 12 Xd: 110; Xq: 108; Xl: 11; Xq : 15; Xq : 12; Tdo: 5.6; Tdo : 0.002; Tqo : 3.7; Tqo : 0.002; H: 1.2; Damping: 5 PUSRI J MW ; pf 85%; MVA; Eff 95%; 2 Poles; operating 7.9 MW Xd : 9; Xd : 16; X/R: 30; Xo: 5 Xd: 152; Xq: 144; Xl: 8; Xq : 13; Xq : 9; Tdo : 10.1; Tdo : 0.55; Tqo : 3.7; Tqo : 0.002; H: 8.3; Damping: 2 PUSRI J MW ; pf 85%; MVA; Eff 95%; 2 Poles; operating 7.6 MW Xd : 9; Xd : 16; X/R: 30; Xo: 5 Xd: 152; Xq: 144; Xl: 8; Xq : 13; Xq : 9; Tdo : 10.1; Tdo : 0.055; Tqo : 3.7; Tqo : 0.002; H:8.3; Damping : 2 PUSRI J MW ; pf 85%; MVA; Eff 95%; 2 Poles; operating 7.7 MW Xd : 9; Xd : 16; X/R: 30; Xo: 5 Xd: 152; Xq: 144; Xl: 8; Xq : 13; Xq : 9; Tdo : 10.1; Tdo : 0.002; Tqo : 3.7; Tqo : 0.002; H:8.3; Damping : 2 PUSRI 1B 5006-J MW ; pf 85%; MVA; 95% eff; 2 Poles Xd : 12.2; Xd : 13.2; X/R: 30; Xo: 5.3 Xd: 172.5; Xq: 162.9; Xl: 14.3; Xq : 43.1; Xq : 11.6; Tdo : 5.719; Tdo : 0.022; Tqo : 0.392; Tqo : 0.056; H:8; Damping : 5 Dari data Tabel 3.1 jumlah kapasitas daya pada PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang MW, 1 unit dioperasikan sebagai swing generator dan sisanya dioperasikan voltage control. Swing generator terdapat pada Pusri 1B. Setiap daya output pabrik pada akhirnya akan disalurkan pada synchronous bus. Tujuan dari synchronous bus ini adalah agar tetap terjaganya penyaluran daya pada PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang pada saat salah satu bus terjadi gangguan atau jika adanya pelepasan generator untuk maintenance. Dengan adanya synchronous bus ini juga dapat meningkatkan kehandalan sistem PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang. Tabel 3.2 Data Beban PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang Beban (MVA) No Unit Pabrik Static Dynamic 1 PS STG Pusri Pusri Pusri Pusri 1B Tabel 3.2 adalah data beban beban statis dan dinamis ayng terdapat pada PT pusri dengan total beban 70 MVA. III. SIMULASI DAN ANALISIS 4.1 Studi Kasus Simulasi Stabilitas Transien Pada simulasi ini dilakukan anilisis kestabilan transien yang ditujukan lebih khusus untuk generator dan sistem. Dengan memisalkan terjadi gangguan short circuit pada setiap bus pada level tegangan menengah dan melihat respon sudut rotor pada setiap generator. Setelah melihat respon sudut rotor, cct pada tiap bus dapat ditentukan agar generator tidak lepas sinkron. Pada kasus gangguan short circuit bus yang digunakan sebagai indikator kestabilan transien adalah: i. SC Bus 30: bus yang mewakili static load 100% kv pada unit 2006-J ii. SC Bus 29: bus yang mewakili motor load 100% kv pada unit 2006-J iii. SC Bus 28: bus yang mewakili static load 100% kv pada unit 3006-J iv. SC Bus 27: bus yang mewakili motor load 100% kv pada unit 3006-J v. SC Bus 26: bus yang mewakili static load 100% kv pada unit 4006-J Halaman 3 dari 6

4 vi. SC Bus 25: bus yang mewakili motor load 100% kv pada unit 4006-J vii. SC Bus 24: bus yang mewakili static load 100% kv pada unit 5006-J viii. SC Bus 15: bus yang mewakili motor load 100% kv pada unit 5006-J ix. SC Bus 20: bus yang mewakili beban lumped load dan memiliki level tegangan pada unit STG Simulasi Stabilitas Transien Studi kasus Bus 30: Short Circuit pada Bus 30 (t=5s) Pada studi kasus ini akan disimulasikan terjadinya gangguan short circuit pada bus 30. Short circuit akan disimulasikan terjadi pada 5 detik setelah sistem bekerja. tersebut terjadi dikarenaan generator unit 2006-J merupakan unit yang paling dekat dengan bus gangguan. Setelah cb pada bus gangguan dibuka sesuai cct yang ditentukan yaitu t=2s. Sudut rotor generator turun dari sudut kritisnya, pada detik t=7.901s sudut rotor dari generator unit 2006-J turun menjadi 33.97⁰, pada unit J turun menjadi 3.77⁰, pada unit 4006-J turun menjadi 3.9⁰, pada STG-1 turun menjadi 7.97⁰, sedangkan unit 5006-J tetap pada 0⁰. Pada detik t=20s semua sudut generator berhenti berosilasi dan berada pada kondisi steady state, dengan kondisi sudut rotor unit 2006-J sebesar 17.9⁰, unit 3006-J sebesar 15.75⁰, unit 4006-J sebesar 15.71⁰, unit 5006-J sebesar 0⁰ dikarenakan unit 5006-J merupakan generator yang dijadikan referensi dan unit STG-1 sebesar 17.12⁰. Berikut analisa selanjutnya akan menggunakan Matlab untuk membandingkan hasil CCT dari Etap. Gambar 4.1 Respon sudut rotor pada Bus 30 Pada gambar 4.1 merupakan kejadian saat terjadi gangguan pada bus 30 pada detik t=5 dengan lama simulasi 60 detik. Akibatnya semua sudut generator menerima dampak gangguan dan mengalami pergeseran sudut. Gambar 4.2. Respon θ dan ω pada generator unit 2006-J Tabel 4.1 Kondisi sudut rotor No Unit generator Waktu (detik) 2.02 s 5.101s 6.821s 7.521s s J 6.23⁰ 6.36⁰ ⁰ 33.97⁰ 17.9⁰ J 5.84⁰ 7.12⁰ 16.54⁰ 3.77⁰ 15.75⁰ J 5.78⁰ 7.02⁰ 16.22⁰ 3.9⁰ 15.71⁰ J 0⁰ 0⁰ 0⁰ 0⁰ 0⁰ 5 STG ⁰ 12.65⁰ 9.21⁰ 7.97⁰ 17.12⁰ Pada gambar dan tabel dapat dilihat, pada detik awal setelah terjadi gangguan pada detik 5.101, semua sudut rotor generator mengalami perubahan dari kondisi awal sudut rotor. Sudut rotor dari generator 2006-J berosilasi dan naik menjadi 6.36⁰, pada unit 3006-J sudut rotor berubah menjadi 7.12⁰, pada unit 4006-J sudut rotor berubah menjadi 7.02⁰, pada STG-1 sudut rotor berubah menjadi 12.65⁰, sedangkan pada unit 5006-J sudut generator tetap pada 0⁰. Gangguan tersebut berlangsung sampai salah satu sudut rotor dari salah satu unit mencapai kondisi kritis tepat sebelum CB dibuka. Dapat dilihat bahwa kolom yang berwarna merah adalah kondisi kritis, yaitu pada detik t=6.821s sudut rotor unit 2006-J mencapai ⁰. Hal Gambar 4.3. Respon θ dan ω pada generator unit 3006-J Halaman 4 dari 6

5 Dapat dilihat bahwa pada gambar Gambar 4.2, Gambar 4.3, Gambar 4.4, Gambar 4.5, Gambar 4.6, garis tcs berputar kembali pada titik kestabilan dan garis tcu tetap berosilasi hal ini menunjukkan bahwa generator dalan kondisi kritis namun tidak terlepas dari sistem. Dari hasil analisa semua kasus gangguan pada setiap bus menggunakan Etap dan Matlab, didapatkan. Gambar 4.4. Respon θ dan ω pada generator unit 4006-J Tabel 4.2 Hasil CCT menggunakan Matlab dan Etap Fault CCT (detik) Error (%) ETAP Matlab Tabel 4.3 Data eror Rata-rata error Error Error (%) Maksimum (%) Minimum (%) Gambar 4.5. Respon θ dan ω pada generator unit 5006-J Gambar 4.6. Respon θ dan ω pada generator unit STG-1 Gambar 4.2, Gambar 4.3, Gambar 4.4, Gambar 4.5, Gambar 4.6 menunjukkan kondisi unit generator diputus pada nilai tcs=1.42 detik dan tcu=1.43 detik. Kondisi generator unit 2006-J, 3006-J, 4006J, 5006-J, dan STG-1 dalam kondisi kritis namun tidak terlepas dari sistem. Tcs (trajectory critical stable) adalah garis kritis kestabilan dan tcu (trajectory critical unstable) adalah garis kritis ketidak stabilan, dimana jika gangguan dilepas melebihi tcu maka sistem akan tidak stabil atau lepas sinkron, dan apabila gangguan dilepas kurang dari tcu maka sistem akan kembali stabil. Dari Tabel 4.2 dapat dilihat bahwa hasil CCT menggunakan Etap berbeda dengan menggunakan Matlab. Hal ini dikarenakan pada Etap menggunakan AVR dan Governoor yang sesuai dengan data pada pabrik, sedangkan pada Matlab menggunakan AVR dan Governoor dengan model yang paling sederhana. Eror yang didapatkan dari hasil pencarian menggunakan metode pada Etap dengan metode menggunakan Matlab berkisar 5.26%. hal ini membuktikan bahwa mencari nilai CCT dengan menggunakan Etap lebih efisien. V. KESIMPULAN Dari hasil simulasi dan analisis, maka dalam tugas akhir ini dapat ditarik kesimpulan bahwa: i. Pada kasus tertentu pada matlab, seperti generator unit 3006-J, 4006-J, 5006-J, STG-1 arah dari tcu mengarah ke negatif, dikarenakan generator yang digunakan sebagai referensi adalah generator swing. ii. Adanya perbedaan antara hasil cct menggunakan matlab dengan Etap, dikarenakan pada program matlab menggunakan AVR yang paling sederhana ditujukan untuk kondisi worst case, sedangkan pada Etap menggunakan AVR sesuai kondisi pada real nya. iii. Dengan melihat perolehan cct yang cukup besar pada setiap gangguan hubung singkat pada bus. Dapat dikatakan bahwa sistem PT. Pupuk Sriwidjaja Palembang sangat handal. Halaman 5 dari 6

6 DAFTAR PUSTAKA [1] IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions, Definition and Classification of Power System Stability, IEEE Transactions on Power System, Vol. 19, No. 2, May [2] Das, J.C., Transient in Electrical Systems, Analysis,Recognition, and Mitigation, McGraw-Hill Companies Inc, Ch. 12, [3] IEEE, Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, IEEE Std [4] Kundur, Prabha, Power System Stability and Control, McGraw-Hill Companies Inc, [5] T. Athay, R. Podmore, S. Virmani, A practical Method For The Direct Analysis Of Transient Stability, IEEE Transactions on Power System, Vol. PAS-98, No. 2, March [6] Stevenson, W.D., John J. Granger, Elements of Power System Analysis, 4th Edition. McGraw-Hill Companies Inc, [7] Anderson, P. M. Dan A. A. Fouad, Power System Control Stability. United States: A John Wlley & Sons, Inc, 2003 [8] AIEE Subcommittee on Interconnections and Stability Factors, First Report of Power System Stabillity, AIEE Trans., pp.51-80, 1926 [9] A. Priyadi, N. Yorino, Y. Sasaki, M. Tanaka, T. Fujiwara, Y. Zoka, H. Kakui, and M. Takeshita, A Direct Method for Obtaining Critical Clearing Time for Transient Stabillity Using Critical Generator Conditions. Europan Transactions on Electrical Power, Vol. 22, 876, October 2010 RIWAYAT HIDUP Angky Inggita Putra adalah nama lengkap penulis. Penulis lahir di Surabaya pada tanggal 4 April 1991 yang merupakan anak pertama dari lima bersaudara pasangan Hadi Siswanto dan Suprihatin. Penulis memulai pendidikannya dari TK. ITS, kemudian melanjutkan studi di SDN Kalisari I Surabaya, SMPN 9 Surabaya, dan SMA Negri 5 Surabaya. Setelah lulus dari SMA pada tahun 2009, penulis yang memiliki kegemaran dalam bersepeda dan kegiatan olahraga ini melanjutkan studi di Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nompeber Surabaya pada tahun yang sama. Konsentrasi penulis adalah pada bidang studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Penulis dapat dihubungi pada alamat angkyip@gmail.com. Halaman 6 dari 6