Tugas Mingguan Peserta OJT Angkatan 13 Th. 2009 WATAK FREKUENSI SISTEM PADA SAAT TERJADI HILANG DAYA PEMBANGKIT Disusun oleh: Haryo Praminta Sedewa YG/ES/0282 PT PLN(persero) AP2B Sistem Kalselteng
WATAK FREKUENSI SISTEM PADA SAAT TERJADI HILANG DAYA PEMBANGKIT Saat sebuah sistem tenaga listrik beroperasi pada frekuensi normal, jumlah input daya mekanis dari penggerak mula ke generator sama dengan jumlah beban yang tersambung, ditambah dengan losses pada sistem tersebut. Jika keseimbangan ini berubah, maka akan berakibat pada perubahan sistem frekuensi. Saat sistem ini mengalami kekurangan input daya mekanis, putaran rotor akan melambat untuk menyuplai energi ke sistem. Sebaliknya, jika sistem kelebihan daya mekanis, putaran rotor akan semakin cepat untuk menyerap energi dari sistem. Setiap perubahan kecepatan putar rotor ini akan menyebabkan perubahan frekuensi sistem pula. Governor pada unit pembangkit akan merasakan sedikit perubahan kecepatan putar yang diakibatkan oleh perubahan beban. Governor ini akan mengatur input daya mekanis yang masuk ke unit pembangkit untuk menjaga frekuensi sistem agar tetap pada batasan operasi normal. Perubahan besar kapasitas pembangkitan secara tibatiba karena tripnya salah satu unit pembangkit atau saluran transmisi, dapat mengakibatkan ketidakseimbangan antara pembangkitan dan beban yang cukup signifikan, yang berakibat pula pada perubahan frekuensi sistem yang cepat. Jika governor dan boiler tidak cukup cepat dalam merespon perubahan frekuensi ini, sistem dapat collapse. Untuk itu, dibutuhkan pelepasan beban yang cepat, selektif, dan temporer, agar sistem dapat terhindar dari kondisi padam total atau blackout. Sehingga waktu pemulihan sistem ke kondisi normal dapat dilakukan secara cepat pula. Kecepatan Perubahan Frekuensi Sebelum mendesain skema relay untuk proteksi beban berlebih, penting dilakukan terlebih dahulu perkiraan variasi frekuensi saat terjadi gangguan. Gambar di bawah ini menunjukkan sebuah sistem S yang terdiri dari 2 subsistem yang terinterkoneksi, yaitu subsistem S1 dan S2. Untuk sistem S secara keseluruhan, persamaan dibawah ini harus terpenuhi untuk frekuensi yang konstan Daya pembangkitan = beban + losses
Kesetimbangan di atas dapat pula terbentuk saat daya pembangkitan di S1 lebih besar dari beban S1 dan beban di S2 lebih besar dari pada daya pembangkitan S2, dengan selisih daya yang ada ditransfer melalui saluran interkoneksi yang menghubungkan keduanya. Jika total beban dan losses sama dengan total input daya mekanis, maka tidak terjadi perubahan di kecepatan putar rotor generator atau frekuensi sistem terhadap waktu. Jika saluran transmisi trip akibat sebuah gangguan permanen, maka energi kinetik di generator-generator yang ada di subsistem S1 akan meningkat untuk menyerap kelebihan input daya, sehingga putaran generator-generator di subsistem S1 akan bertambah cepat. Sebaliknya, putaran generator-generator yang ada di subsistem S2 akan melambat. Persamaan pesat perubahan frekuensinya adalah sebagai berikut: Dimana: df dt P = persen pesat penurunan frekuensi = persen penurunan daya dari kva terpasang H = konstanta inersia, MW sec atau MVA KW sec KVA Di sini, semua konstanta H dan P berbasis pada kva Konstanta inersia (H) didefinisikan sebagai perbandingan dari momen inersia rotor generator dan kapasitas unit generator tersebut, atau bisa didefinisikan pula sebagai energi kinetik pada komponen berputar generator pada kecepatan putar normalnya. Sebagai contoh, sebuah turbin generator berkapasitas 100MVA, dengan konstanta inersia sebesar 4, memiliki energi kinetik sebesar 400MW-sec. Atau 400 MJ, pada rotornya saat berputar pada kecepatan nominalnya. Jika daya output dan beban adalah konstan seiring dengan penurunan frekuensi dan kecepatan, generator tersebut mampu menyuplai beban penuhnya dalam waktu 4 detik, tanpa adanya input daya dari penggerak mula, sebelum rotor berhenti berputar. Konstanta inersia dari sebuah unit generator telah tersedia dari pabriknya, atau dapat dihitung dari:
Untuk sebuah sistem, nilai H secara keseluruhan dapat dihitung dengan persamaan: Dengan subscript 1, 2,..., n adalah masing unit pembangkit Semakin besar konstanta inersia, semakin lambat penurunan frekuensi dari overload yang terjadi. Generator hidro model terdahulu mempunyai konstanta inersia sebesar 10. Turbin generator terbaru, memiliki konstanta inersia sekitar 2-3, seiring dengan trend generator kapasitas besar dengan massa yang ringan. Sehingga, sistem tenaga listrik baru-baru ini semakin mudah mengalami goncangan frekuensi pada saat terjadi perubahan pembebanan secara mendadak. Sebagai contoh pada gambar di atas, subsistem S2 pada gambar memiliki beban 1200 MW dan total pembangkitan sebesar 100 MW. Saluran transmisi harus menyalurkan daya 200 MW dari S1 ke S2. Konstanta inersia untuk S2 adalah 4, dan faktor daya mesin-mesinnya adalah 0,85. Jika saluran transmisi mengalami trip, pesat penurunan frekuensi di subsistem S2 dapat dihitung sebagai berikut: frekuensi. beban _ saluran _ yang _ hilang P = = kva _ dari _ S2 = 17 % Kemudian df 0,17 = = 2,13 % dt 2(4) 200 1000 / 0,85 df = -2,13% x 50 Hz = 1,065 Hz/detik dt Besaran negatif pada pesat perubahan frekuensi menunjukkan penurunan Ketika terjadi penurunan frekuensi, pengalaman menunjukkan bahwa beban juga menurun. Perbandingan yang sering digunakan adalah jika terjadi penurunan
frekuensi sebesar 1 % maka beban akan turun juga sebesar 2 %. Penurunan frekuensi sebesar 1 % mewakili 0,5 Hz. Penurunan beban berlaku untuk beban keseluruhan sistem, bukan P-nya, dan untuk contoh di atas penurunan bebannya adalah 0,02(1200) = 24 MW, mengurangi jumlah kekurangan daya pembangkitan menjadi (200-24) = 176 MW. Sehingga pada saat frekuensi telah turun sebesar 1%, pesat penurunan frekuensinya pun melambat. Penurunan frekuensi sebesasar 8,35% akan mengurangi beban sebesar 16,7% atau 0,167(1200) = 200 MW. Namun pada frekuensi ini (45,825Hz), unit-unit pembangkit sudah lepas sinkron. Diagram sederhana di atas dapat menjelaskan sebuah prinsip dasar. Trip-nya unit pembangkit 2 berakibat naiknya pembebanan di unit pembangkit 1. Beban akan terus tersuplai, tetapi putaran rotor dan frekuensi akan berkurang kecepatannya. Jumlah besar overload MW pada pembangkit yang masih beroperasi, sama dengan besar daya unit pembangkit yang trip. Pengurangan beban yang dipengaruhi oleh pengurangan frekuensi berhubungan dengan total beban seluruhnya (1+ P). Beban
baru seiring dengan penurunan frekuensi adalah 1, yaitu beban sebenarnya dari G1. Frekuensi operasi stabil baru yang terbentuk adalah: Dengan: ff = frekuensi stabil yang baru fo = frekuensi nominal P = persen penurunan pembebanan (berdasarkan pembebanan pembangkit yang masih beroperasi d = perbandingan antara perubahan beban terhadap perubahan frekuensi Faktor d dapat bervariasi dari 0,5 hingga 7, tergantung dari komposisi beban yang ada, namun pada umumnya sistem memiliki d = 2 (yakni, 2% penurunan beban dari setiap 1% penurunan frekuensi). Nilai eksak d untuk sebuah sistem dapat ditentukan hanya dengan mengamati variasi beban dengan frekuensi pada sistem tersebut. Gambar di atas menunjukkan grafik penurunan frekuensi yang diakibatkan oleh hilangnya daya pembangkitan. Sedangkan gambar di bawah ini menggambarkan watak dari frekuensi sistem (untuk contoh ini menggunakan frekuensi nominal 60 Hz) untuk beberapa kombinasi dari konstanta inersia dan persen overload dengan konstanta d = 2.
Respon governor akan bekerja untuk mengoreksi kekurangan (atau kelebihan) kecepatan/frekuensi sistem, dengan cara mengurangi atau menambah (jika masih tersedia cadangan putar) input daya mekanik dari penggerak mula. Namun, ada tunda waktu dalam penyesuaian ke kondisi stabil yang berkaitan dengan boiler, aliran air, dan lain-lain. Untuk mencegah jatuhnya frekuensi sampai melampaui batas aman, maka hal yang dapat dilakukan adalah melepas beban secara cepat dan selektif (CB trip untuk memisah beban dari sumber daya). KESIMPULAN 1. Pesat perubahan frekuensi pada saat terjadi gangguan dipengaruhi oleh konstanta inersia sistem dan besar daya pembangkitan yang hilang karena ganguan tersebut. 2. Besar perubahan frekuensi saat terjadi gangguan dipengaruhi oleh komposisi beban yang ada pada sistem tersebut, dan besar daya pembangkitan yang hilang karena gangguan tersebut. 3. Pada saat terjadi gangguan yang mengakibatkan hilangnya sejumlah besar daya pembangkitan secara mendadak, governor pada unit-unit pembangkit tidak cukup cepat dalam merespon perubahan kecepatan/frekuensi sistem, oleh karena itu diperlukan strategi pelepasan beban (load shedding) yang cepat dan selektif.