Analisis Kestabilan Transien dan Mekanisme Pelepasan Beban di PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit (R.U.) VI Balongan Jawa Barat

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (013) Analisis Kestabilan Transien dan Mekanisme Pelepasan Beban di PT. Pertamina (Persero) Refinery Unit (R.U.) VI Balongan Jawa Barat Syahrul Hidayat, Ardyono Priyadi, dan Margo Pujiantara Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya priyadi@ee.its.ac.id, margo@ee.its.ac.id Abstrak PT. Pertamina (Persero) R.U. VI merupakan salah satu unit pengolahan kilang minyak yang dimiliki oleh PT. Pertamina yang berada di daerah Balongan, Jawa Barat. Untuk dapat menunjang kegiatan operasionalnya, PT. Pertamina RU VI Balongan mengoperasikan 4 unit steam turbin generator dengan kapasitas masing-masing MW dan 1 unit steam turbin generator dengan kapasitas MW sebagai cadangan. Di PT. Pertamina RU VI Balongan, stabilitas transien belum dianalisis secara mendalam sehingga perlu dilakukan studi stabilitas transien untuk mengetahui kestabilan sistem saat terjadi transien. Pada tugas akhir ini difokuskan pada analisis kestabilan transien meliputi kestabilan tegangan, kestabilan frekuensi dan kestabilan sudut rotor saat terjadi generator outage, motor starting dan hubung singkat. Dari hasil simulasi menunjukkan bahwa pada kasus lepasnya generator mengakibatkan sistem tidak stabil. Untuk mengembalikan kestabilan sistem, pada kasus lepasnya 1 generator memerlukan pelepasan beban tahap dengan melepas 5.5% dari total beban (1.393 MW). Sedangkan pada kasus lepasnya generator memerlukan pelepasan beban 3 tahap dengan melepas % dari total beban ( MW). Saat hubung singkat pada level tegangan 10 KV mengakibatkan sistem tidak stabil sehingga perlu dilakukan pelepasan beban tahap. Selain itu untuk hubung singkat pada tegangan 0 KV, tegangan pada bus utama menurun hingga 5.31% dan stabil pada 101.5%. Pada kasus motor starting, tegangan turun hingga 86.8% dan stabil pada 95%. Kata Kunci kestabilan transien, transien, pelepasan beban S I. PENDAHULUAN UATU sistem dikatakan stabil ketika terdapat keseimbangan antara daya mekanik pada penggerak utama generator dengan daya output listrik. Dalam keadaan setimbang maka generator berputar pada kecepatan sinktron. Daya output listrik sangat dipengaruhi oleh fluktuasi beban dimana ketika terjadi kenaikan atau penurunan beban maka harus diikuti oleh perubahan daya mekanik yang dihasilkan oleh prime mover. Apabila prime mover tidak mampu menyesuaikan dengan kondisi beban akan mengakibatkan kondisi sistem menjadi tidak stabil. Stabilitas transien berhubungan dengan besar secara tiba-tiba seperti hubung singkat, pemutusan saluran secara tiba-tiba melalui circuit breaker(cb), serta pemindahan beban secara tiba-tiba. Apabila besar terjadi dan tidak segera dihilangkan, maka percepatan atau perlambatan sudut rotor akan terjadi dan dapat mengakibatkan generator lossing synchronism. Gangguan transien sangat mempengaruhi stabilitas dari suatu sistem kelistrikan pada industri-industri besar sehingga perlu dianalisis lebih lanjut. Di PT. Petamina RU VI Balongan, stabilitas transien belum dianalisis secara mendalam sehingga perlu dilakukan studi stabilitas transien untuk mengetahui kestabilan sistem saat terjadi transien. Pada tugas akhir ini difokuskan pada analisis kestabilan transien meliputi kestabilan tegangan, kestabilan frekuensi dan kestabilan sudut rotor saat terjadi generator outage, motor starting dan hubung singkat serta analisis mekanisme pelepasan beban yang handal untuk mengatasi. II. KESTABILAN TRANSIEN A. Kestabilan Sistem Tenaga Kestabilan sistem tenaga listrik secara luas dapat didefinisikan sebagai kemampuan dari satu sistem tenaga listrik untuk tetap berada dalam kondisi seimbang dalam operasi normal dan dapat memperoleh kembali kondisi seimbang setelah sistem mengalami. Berdasarkan Paper IEEE definition and classification of power system stability, kestabilan sistem tenaga listrik dibagi menjadi tiga kategori yaitu []: 1. Kestabilan sudut rotor [1] Kestabilan sudut rotor adalah kemampuan dari beberapa mesin sinkron yang saling terinterkoneksi pada suatu sistem tenaga untuk mempertahankan kondisi sinkron.. Kestabilan frekuensi [] Kestabilan ini berkaitan dengan kemampuan dari sistem untuk mempertahankan kestabilan frekuensi akibat pada sistem yang mengakibatkan ketidakseimbangan antara pembangkitan dan beban. 3. Kestabilan tegangan [] Kestabilan tegangan dapat diartikan sebagai kemampuan dari sistem tenaga listrik untuk mempertahankan kestabilan nilai tegangannnya di semua bus pada sistem dalam kondisi operasi normal maupun setelah terjadi.

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (013) 1-6 B. Kestabilan Transien Kestabilan transien merupakan kemampuan dari sistem tenaga listrik untuk mempertahankan kondisi sinkron ketika sistem mengalami transien [1]. Gangguan transien ini berupa besar yang terjadi pada sistem seperti hubung singkat, lepasnya pembangkit, motor starting serta penambahan beban secara tiba-tiba. C. Pelepasan Beban [3] Jika terjadi pada sistem yang menyebabkan besarnya suplai daya yang dihasilkan oleh pembangkit tidak mencukupi kebutuhan beban misalnya karena adanya pembangkit yang lepas (trip), maka untuk mencegah terjadinya ketidakstabilan sistem perlu dilakukan pelepasan beban (load shedding). Keadaan yang kritis pada sistem dapat dideteksi melalui frekuensi sistem yang menurun dengan cepat. Pelepasan beban dapat dilakukan dengan dua cara yaitu : 1. Pelepasan beban secara manual. Pelepasan beban secara otomatis III. SISTEM KELISTRIKAN PT. PERTAMINA RU VI BALONGAN IV. SIMULASI DAN ANALISIS TRANSIEN A. Studi kasus simulasi stabilitas transien Tabel 1. Kasus dan deskripsi analisis kestabilan transien Kasus Keterangan Waktu (s) Gen Out 1 Generator 51-G-101B trip Gen Out 1 LS Generator 51-G-101B trip Load shedding tahap 1 Load shedding tahap Gen Out Generator 51-G-101B dan 51-G-101C trip Gen Out LS SC 0.4 kv SC 3.15 kv SC 0 kv SC 10 kv SC 10 kv LS Mstart Generator 51-G-101B dan 51-G-101C trip Load shedding tahap 1 Load shedding tahap Load shedding tahap 3 Hubung singkat 3 fasa pada bus 18-PMC3-0A CB304 open Hubung singkat 3 fasa pada bus 17-PMC-01A CB 17PSW01A open Hubung singkat 3 fasa pada bus 17-PTR1-01A PRIMER CB 17PSW01A1 open Hubung singkat 3 fasa pada bus 51-G-101B CB48 open Hubung singkat 3 fasa pada bus 51-G-101B CB48 open Load shedding tahap 1 Load shedding tahap CB 1PTR501A-CB Closed (Motor 1-K-501A- M start) B. Simulasi kasus generator outage Pada subbab ini akan ditampilkan hasil simulasi untuk kasus generator outage. B.1. Studi kasus Gen Out 1 Tabel. Respon sudut rotor untuk kasus Gen Out 1 Sudut rotor setelah 51-G-101B 6.1 O 9.0 O 51-G-01C/D 6.55 O 8.95 O Tabel 3. Respon frekuensi untuk kasus Gen Out 1 Frekuensi Frekuensi setelah Gambar 1. Single Iine diagram PT. Pertamina RU VI Balongan Pada gambar 1. ditunjukkan single line diagram PT. Pertamina RU VI Balongan. Sistem kelistrikan PT. Pertamina RU VI Balongan cukup kompleks dengan total susbstation sebanyak 15 substation. Sistem kelistrikan PT. Pertamina RU VI Balongan terdiri dari 4 rating tegangan yaitu 10 kv, 0 kv, 3.15 kv dan 0.4 kv. Untuk menunjang kegiatan operasionalnya, PT. Pertamina RU VI Balongan mengoperasikan 4 unit steam turbin generator dengan kapasitas masing-masing MW dan 1 unit generator dalam kondisi standby dengan kapasitas MW. Dari 4 unit generator tersebut, 1 unit dioperasikan sebagai swing generator yaitu generator dan sisanya dioperasikan sebagai voltage control. 100 Tabel 4. Respon tegangan untuk kasus Gen Out 1 setelah 13-PMC3-01A PMC-01A /C/D Dari data di atas dapat disimpulkan bahwa sistem tidak stabil dan harus dilakukan mekanisme pelepasan beban untuk mempertahankan kestabilan sistem. B.. Studi kasus Gen Out 1 LS Pada kasus ini disimulasikan lepasnya generator 51-G-101B dari sistem dan dilanjutkan dengan mekanisme load shedding. Mekanisme load shedding yang digunakan berdasarkan pada standar ANSI/IEEE C

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (013) Gambar. Respon frekuensi sistem saat generator 51-G-101B lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding tahap Pada gambar. dapat dianalisis bahwa : a). Garis biru ( load shedding) Frekuensi sistem turun secara signifikan hingga pada detik ke 60 menjadi 5.17% dan dapat dipastikan akan terus turun sehingga diperlukan load shedding untuk mengembalikan kestabilan sistem. b). Garis orange (load shedding tahap 1) Load shedding tahap 1 dilakukan saat frekuensi sistem turun mencapai 98.83% yaitu pada detik ke.561 ditambah dengan delay 0.1 detik. Maka load shedding tahap 1 dilakukan saat t = =.681 detik dengan melepas 10% total beban (8.594 MW). c). Garis abu-abu (load shedding tahap ) Load shedding tahap dilakukan saat frekuensi sistem turun mencapai 98.16% yaitu pada detik ke 3.0 ditambah dengan delay 0.1 detik. Maka load shedding tahap dilakukan saat t = =3.14 detik dengan melepas 15% total beban MW). Setelah dilakukan load shedding tahap frekuensi turun hingga 97.98% dan stabil di 99.98% atau Hz. Gambar 4. Respon tegangan sistem saat generator 51-G-101B lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding tahap Pada gambar 4.10 dapat dilihat respon tegangan pada berbagai level tegangan: a). Pada level tegangan 0.4 kv (bus 13-PMC3-01A) mengalami penurunan tegangan hingga % dan mencapai kondisi steady pada %. b). Pada level tegangan 3.15 kv (bus 13-PMC-01A) mengalami penurunan tegangan hingga % dan mencapai kondisi steady pada % c). Pada level tegangan 0 kv (bus ) mengalami penurunan tegangan hingga 89 % dan mencapai kondisi steady pada %. d). Pada bus di bawah generator (level tegangan 10 kv) mengalami penurunan tegangan hingga 91.4 % dan mencapai kondisi stady pada %. Dari hasil analisis respon sudut rotor, frekuensi dan tegangan sistem dapat disimpulkan sistem dapat kembali stabil untuk kasus generator 51-G-101B lepas dari sistem setelah dilakukan load shedding tahap ke. Kuantitas beban yang harus dilepas adalah MW atau 5.5% dari total beban. B.3. Studi kasus Gen Out Tabel 5. Respon sudut rotor untuk kasus Gen Out 7 Sudut rotor setelah 51-G-101B/C 6.19 O O 51-G-01D 6.55 O 9.96 O Tabel 6. Respon frekuensi untuk kasus Gne Out Gambar 3. Respon sudut rotor sistem saat generator 51-G-101B lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding tahap Pada gambar 3 dapat dilihat respon respon sudut rotor dari generator, 51-G-101B, 51-G-101C, dan 51-G- 101D. Sudut rotor generator saat 6.1 dan saat terjadi naik hingga 8.99 dan kembali stabil pada 6.1. Sedangkan sudut rotor generator 51-G-101C dan 51-G-101D saat 6.55 dan saat terjadi naik hingga 9.36 dan kembali stabil pada Frekuensi Frekuensi setelah 100 Tabel 7. Respon tegangan untuk kasus Gen Out 1 setelah 13-PMC3-01A PMC-01A /C/D Dari data di atas dapat disimpulkan bahwa sistem tidak stabil dan harus dilakukan mekanisme pelepasan beban untuk mempertahankan kestabilan sistem.

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (013) B.4. Studi kasus Gen Out LS Pada kasus ini disimulasiakn lepasnya generator 51-G-101B dan 51-G-101C dari sistem dan dilanjutkan dengan mekanisme load shedding. Pada gambar 6. dapat dilihat respon sudut rotor dari generator, 51-G-101C, dan 51-G-101D. Sudut rotor generator saat 6.19 dan saat terjadi naik hingga dan kembali stabil pada Sedangkan sudut rotor generator 51-G-101C dan 51-G-101D saat 6.54 dan saat terjadi naik hingga dan kembali stabil pada 6.5. Gambar 5. Respon frekuensi sistem saat generator 51-G-101B dan 51-G- 101C lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding 3 tahap Pada gambar 3. dapat dianalisis bahwa : a). Garis biru ( load shedding) Frekuensi sistem turun secara signifikan hingga pada detik ke 60 menjadi 46.49% dan dapat dipastikan akan terus turun sehingga diperlukan load shedding untuk mengembalikan kestabilan sistem. b). Garis orange (load shedding tahap 1) Load shedding tahap 1 dilakukan saat frekuensi sistem turun mencapai 98.83% yaitu pada detik ke.31 ditambah dengan delay 0.1 detik. Maka load shedding tahap 1 dilakukan saat t = =.441 detik dengan melepas 10% total beban (8.594 MW). c). Garis abu-abu (load shedding tahap ) Load shedding tahap dilakukan saat frekuensi sistem turun mencapai 98.16% yaitu pada detik ke.60 ditambah dengan delay 0.1 detik. Maka load shedding tahap 1 dilakukan saat t = =.7 detik dengan melepas 15% total beban MW). d). Garis kuning (load shedding tahap 3) Load shedding tahap 3 dilakukan saat frekuensi sistem turun mencapai 97.5% yaitu pada detik ke.83 dengan melepas.85% total beban ( MW). Setelah dilakukan load shedding tahap 3 frekuensi turun hingga 97.47% dan stabil di % atau 50.0 Hz. Gambar 6. Respon sudut rotor sistem saat generator 51-G-101B dan 51-G- 101C lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding 3 tahap Gambar 7. Respon tegangan sistem saat generator 51-G-101B dan 51-G-101C lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding 3 tahap Pada gambar 7 dapat dilihat respon tegangan pada berbagai level tegangan: a). Pada level tegangan 0.4 kv (bus 13-PMC3-01A) mengalami penurunan tegangan hingga % dan mencapai kondisi steady pada %. b). Pada level tegangan 3.15 kv (bus 13-PMC-01A) mengalami penurunan tegangan hingga % dan mencapai kondisi steady pada % c). Pada level tegangan 0 kv (bus ) mengalami penurunan tegangan hingga % dan mencapai kondisi steady pada 100. %. d). Pada bus di bawah generator (level tegangan 10 kv) mengalami penurunan tegangan hingga % dan mencapai kondisi stady pada %. Dari hasil analisis respon sudut rotor, frekuensi dan tegangan sistem dapat disimpulkan sistem dapat kembali stabil untuk kasus generator 51-G-101B dan 51-G-101C lepas dari sistem setelah dilakukan load shedding tahap ke 3. Kuantitas beban yang harus dilepas adalah MW atau % dari total beban. C. Simulasi kasus short circuit Pada subbab ini akan ditampilkan hasil simulasi untuk kasus Short circuit. C.1. Simulasi kasus SC 0.4 kv Tabel 8. Respon sudut rotor untuk kasus SC 0.4 kv 6.1 O O Tabel 9. Respon frekuensi untuk kasus SC 0.4 kv Frekuensi Frekuensi maksimum saat State

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (013) Tabel 10. Respon tegangan untuk kasus SC 0.4 kv minimum saat steady 13-PMC3-01A PMC-01A /C/D Dari data di atas dapat disimpulkan bahwa sistem masih aman karena frekuensi, tegangan, dan sudut rotor generator masih dalam kondisi aman. C.. Simulasi kasus SC 3.15 kv Tabel 11. Respon sudut rotor untuk kasus SC 3.15 kv 6.1 O O Tabel 1. Respon frekuensi untuk kasus SC 3.15 kv Frekuensi Frekuensi maksimum saat State Tabel 13. Respon tegangan untuk kasus SC 0.4 kv minimum saat steady 13-PMC3-01A PMC-01A /C/D Dari data di atas dapat disimpulkan bahwa sistem masih aman karena frekuensi, tegangan, dan sudut rotor generator masih dalam kondisi aman. C.3. Simulasi kasus SC 0 kv Tabel 14. Respon sudut rotor untuk kasus SC 0 kv 6.1 O O Tabel 15. Respon frekuensi untuk kasus SC 0 kv Frekuensi Frekuensi maksimum saat State Tabel 16. Respon tegangan untuk kasus SC 0 kv minimum saat steady 13-PMC3-01A PMC-01A /C/D Dari data di atas dapat disimpulkan bahwa sistem masih aman karena frekuensi, tegangan, dan sudut rotor generator masih dalam kondisi aman. C.4. Studi kasus SC 10 KV Tabel.17. Respon sudut rotor untuk kasus Gen Out 1 Sudut rotor setelah 6.1 O O G-101B 6.55 o 51-G-01C/D 6.55 O 8.95 O Tabel 18. Respon frekuensi untuk kasus SC 10 kv Frekuensi Frekuensi setelah 100 Tabel 19. Respon tegangan untuk kasus SC 10 kv setelah 13-PMC3-01A PMC-01A /C/D Dari data di atas dapat disimpulkan bahwa sistem tidak stabil dan harus dilakukan mekanisme pelepasan beban untuk mempertahankan kestabilan sistem. C.5. Studi kasus SC10 kv LS Pada kasus ini disimulasikan terjadi hubung singkat pada 51-G-101B dan dilanjutkan dengan mekanisme load shedding. Gambar 8.. Respon frekuensi sistem saat terjadi hubung singkat pada bus 51-G-101 dan dilanjutkan dengan load shedding tahap Pada gambar 8. dapat dianalisis bahwa : a). Garis biru ( load shedding) Frekuensi sistem turun secara signifikan hingga pada detik ke 60 menjadi 5.16% dan dapat dipastikan akan terus turun sehingga diperlukan load shedding untuk mengembalikan kestabilan sistem. b). Garis orange (load shedding tahap 1) Load shedding tahap 1 dilakukan saat frekuensi sistem turun mencapai 98.83% yaitu pada detik ke 3.01 ditambah dengan delay 0.1 detik. Maka load shedding tahap 1 dilakukan saat t = =3.141 detik dengan melepas 10% total beban (8.594 MW).

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (013) c). Garis abu-abu (load shedding tahap ) Load shedding tahap dilakukan saat frekuensi sistem turun mencapai 98.16% yaitu pada detik ke 3.38 ditambah dengan delay 0.1 detik. Maka load shedding tahap dilakukan saat t = =3.50 detik dengan melepas 15% total beban MW). Setelah dilakukan load shedding tahap frekuensi turun hingga 97.98% dan stabil di 99.97% atau Hz. Tabel 0. Respon sudut rotor untuk kasus Gen Out 1 LS Sudut rotor setelah 51-G-101B 6.1 O G-01C/D 6.55 O 6.55 O Tabel 1. Respon tegangan untuk kasus Gen Out 1 LS LS setelah LS 13-PMC3-01A PMC-01A /B/C/D D. Simulasi kasus motor starting Pada subbab ini akan ditampilkan hasil simulasi untuk kasus motor starting. D.1. Simulasi kasus Mstart Tabel. Respon sudut rotor untuk kasus Mstart Frekuensi motor starting 5.5 O O O 6.65 O Tabel 3. Respon frekuensi untuk kasus Mstart Frekuensi minimum saat motor starting State b). Pada bus yang terhubung dengan trafo motor (1-PTR- 501A PRIMARY ) mengalami penurunan tegangan hingga 86.8 % setelah motor start dan mencapai kondisi steady pada 95 %. c). Pada bus terjauh dari pembangkit yang mewakili tegangan 0.4 kv (bus 13-PMC3-01A) mengalami penurunan tegangan hingga % setelah motor start dan mencapai kondisi steady pada %. Dari hasil analisis respon sudut rotor, frekuensi dan tegangan sistem dapat disimpulkan sistem dapat kembali stabil untuk kasus motor starting. V. KESIMPULAN/RINGKASAN Pada kasus lepasnya generator mengakibatkan sistem menjadi tidak stabil. Untuk mengembalikan kestabilan sistem, untuk lepasnya satu generator memerlukan pelepasan beban tahap dan untuk lepasnya dua generator memerlukan pelepasan beban 3 tahap. Pada kasus hubung singkat di level tegangan 10 kv (bus di bawah generator) mengakibatkan sistem menjadi tidak stabil. Untuk mengembalikan kestabilan sistem memerlukan pelepasan beban tahap. Pada kasus hubung singkat di level tegangan 0 kv, tegangan pada bus utama (0 kv) menurun hingga 5,31 % dikarenakan titik yang berada di dekat bus utama. kembali stabil pada %. Pada kasus hubung singkat dilevel tegangan 0.4 kv dan 3.15 kv, penurunan tegangan dan frekuensi masih dalam batas aman. Untuk hubung singkat tegangan 0.4 kv, generator stabil pada frekuensi % dan tegangan %. Sedangkan untuk tegangan 3.15 KV generator stabil pada frekuensi % dan tegangan % Pada kasus motor starting tidak terlalu berpengaruh pada stabilitas sistem, penurunan tegangan terendah pada 86.8 % dan stabil pada 95 %. DAFTAR PUSTAKA [1] Kundur, Prabha, Power System Stability and Control, McGraw-Hill Companies Inc, [] 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., May 004. [3] Marsudi, Djiteng, Operasi Sistem Tenaga Listrik, Yogyakarta : Graha Ilmu, 006. Gambar 9. Respon tegangan saat motor 1-K-501A-M starting Pada gambar 9 dapat dilihat respon tegangan pada saat motor 1-K-501A-M starting: a). Pada bus di bawah generator mengalami penurunan tegangan hingga 90 % dan mencapai kondisi steady pada 97.5 %.