PENGATURAN DAYA AKTIF PADA UNIFIED POWER FLOW CONTROLLER (UPFC) BERBASIS DUA KONVERTER SHUNT DAN SEBUAH KAPASITOR SERI

PENGATURAN DAYA AKTIF PADA UNIFIED POWER FLOW CONTROLLER (UPFC) BERBASIS DUA KONVERTER SHUNT DAN SEBUAH KAPASITOR SERI Mochamad Ashari 1) Heri Suryoatmojo 2) Adi Kurniawan 3) 1) Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya 60111, email: ashari@ee.its.ac.id 2) Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya 60111, email: suryomgt@ee.its.ac.id 3) Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya 60111, email: adi046@elect-eng.its.ac.id Abstrak UPFC merupakan alat kendali aliran daya listrik yang dipasang pada sistem transmisi. UPFC konvensional terdiri dari sebuah konverter seri dan sebuah konverter shunt. UPFC konvensional menyuntikkan tegangan yang memiliki nilai Total Harmonic Distortion (THD) yang tinggi pada sistem. Pada makalah ini dilakukan desain pengaturan daya aktif pada UPFC yang dimodifikasi dengan menggunakan dua buah konverter shunt dan sebuah kapasitor seri, tanpa menggunakan konverter seri, agar dapat mengatur aliran daya tanpa menimbulkan THD tegangan injeksi yang tinggi pada sistem. Hasil simulasi menunjukkan bahwa tegangan yang disuntikkan oleh UPFC berbasis dua konverter shunt dan sebuah kapasitor seri memiliki nilai THD yang rendah dibandingkan dengan standar THD yang diizinkan. Pengujian pada sistem menunjukkan bahwa UPFC mampu mengatur aliran daya sesuai dengan daya yang diinginkan walaupun terjadi perubahan beban. Kata Kunci: konverter, THD tegangan, UPFC 1. PENDAHULUAN Pengendalian daya listrik pada sistem transmisi arus bolak-balik merupakan hal yang kompleks. Hal ini disebabkan perubahan secara terus menerus antara medan listrik dan medan magnet yang dipengaruhi oleh impedansi di sepanjang saluran transmisi. Untuk mengatasi permasalahan tersebut, dibutuhkan suatu peralatan yang dapat mengendalikan aliran daya pada saluran transmisi yang dapat beradaptasi secara fleksibel pada semua kondisi sistem. Salah satu jenis peralatan yang dapat digunakan untuk mengendalikan aliran daya listrik pada saluran transmisi adalah Unified Power Flow Controller (UPFC). UPFC konvensional terdiri atas sebuah konverter seri dan sebuah konverter shunt yang berbagi sebuah kapasitor penyimpan tegangan listrik arus searah (DC) dan terhubung ke sistem tenaga melalui transformator[1,2]. Konverter seri berfungsi untuk mengontrol aliran daya aktif dan daya reaktif pada saluran transmisi dengan menginjeksikan tegangan secara seri pada sistem. Sedangkan konverter shunt berfungsi untuk mengontrol tegangan pada kapasitor DC yang berfungsi sebagai sumber tegangan DC untuk konverter seri. Permasalahan yang dimiliki oleh sistem UPFC konvensional adalah tegangan yang diinjeksikan secara seri kepada sistem memiliki THD tegangan yang tinggi[1]. THD merupakan rasio dari penjumlahan daya seluruh komponen harmonisa terhadap daya pada frekuensi fundamental. Harmonisa dapat mengganggu sistem distribusi listrik karena menyebabkan gelombang arus dan tegangan menjadi cacat dan tidak sinusoidal lagi. Akibatnya pada peralatan adalah meningkatnya rugi tembaga dan rugi arus eddy pada transformator dan pembebanan berlebih pada kawat netral. Metode yang pernah ditawarkan untuk memperkecil THD tegangan yang disuntikkan oleh UPFC konvensional adalah dengan menggunakan transformator hubungan zigzag dan menggunakan multilevel konverter[1]. Namun transformator zigzag memilki permasalahan berupa biaya yang mahal dan metode pengontrolan yang rumit. Sedangkan multilevel konverter tidak cocok digunakan pada UPFC karena kemungkinan terjadinya gangguan hubung singkat yang besar[3]. Oleh sebab itu, dibutuhkan modifikasi pada UPFC sehingga aliran daya dapat dikendalikan tanpa menimbulkan THD yang tinggi pada sistem. Penggunaan dua konverter shunt dan sebuah kapasitor seri diharapkan dapat membuat UPFC menyuntikkan tegangan dengan THD yang lebih rendah dibandingkan THD tegangan yang diinjeksikan oleh UPFC konvensional. Selain itu, penggunaan dua konverter shunt yang identik membuat waktu perancangan lebih singkat. 2. PEMODELAN SISTEM DAN KOMPONEN UPFC BERBASIS DUA KONERTER SHUNT DAN SEBUAH KAPASITOR SERI 2.1. Konfigurasi Sistem Rangkaian pada Gambar 1 menunjukan konfigurasi dari sistem tenaga listrik yang digunakan pada tugas akhir ini. Dua unit pembangkit listrik diwakili oleh dua sumber tegangan tiga fasa dengan tegangan antar fasa 150 kv dan frekuensi 50 Hz. Dua sumber tegangan ini dipisahkan oleh saluran transmisi jarak pendek yang mempunyai komponen resistif dan induktif. Pada bus

Sumber Tegangan Sisi Kirim P S V S2 Saluran I s V se I se I s2 Transmisi X R I R Sumber Tegangan Sisi Terima V S2 V se V S I sh1 X se I sh2 P R V R V S φ Ise T sh1 Konverter Shunt 1 T sh2 Konverter Shunt 2 Beban I se I S2 I sh2 δ S δ S2 V R I se V cap Gambar 2 : Diagram fasor sistem dengan UPFC V S I sh2 P Rref V R Sinyal Kontrol Rangkaian Kontrol Konverter Shunt 2 UPFC Gambar 2 menunjukkan diagram fasor tegangan dan arus sistem dengan UPFC. Aliran daya aktif dari sisi kiri menuju sisi kanan di saluran transmisi sebelum dipasang UPFC dituliskan dalam persamaan (2) berikut: Gambar 1 : Single line diagram sistem dengan UPFC di sisi kiri dipasang UPFC yang terdiri dari dua konverter shunt yang dipisahkan oleh sebuah kapasitor DC, serta rangkaian kontrol konverter shunt 1 dan rangkaian kontrol konverter shunt 2. Sistem utama dan UPFC dipisahkan oleh dua buah transformator yang dipasang paralel terhadap sistem utama. Di antara dua transformator shunt dipasang sebuah kapasitor seri yang berfungsi untuk merubah arus injeksi dari UPFC menjadi tegangan. Keterangan Gambar 1: V S dan V R : Tegangan sisi kiri dan ujung sisi kanan V S2 : Tegangan pada ujung sisi kiri V se : Tegangan injeksi pada kapasitor seri V cap : Tegangan pada kapasitor DC I S dan I R : Arus pada sisi kiri dan ujung sisi kanan I S2 : Arus pada awal saluran transmisi I se : Arus kapasitor seri X se : Impedansi Kapasitor Seri I sh1 dan I sh2 : Arus dari konverter shunt 1 dan konverter shunt 2 P S : Daya aktif pada ujung sisi kiri P R : Daya aktif pada ujung sisi kanan T sh1 dan T sh2 : Transformator isolasi pada konverter shunt 1 dan konverter shunt 2 Berdasarkan Gambar 1 tegangan di sisi kiri sebelum dipasang UPFC adalah V S. Setelah dipasang UPFC, tegangan di sisi kiri menjadi V S2, dimana V S2 dirumuskan dalam persamaan (1) berikut: V S2 = V S + V se (1) P = V S V R sin δ S Z (2) Setelah dipasang UPFC, tegangan pada ujung sisi kiri sebelum memasuki saluran transmisi berubah dari V S menjadi V S2 sehingga aliran daya aktif dari sisi kiri menuju sisi kanan di saluran transmisi menjadi seperti pada persamaan (3) berikut: P = V S2 V R sin δ S2 Z (3) Gambar 2 menunjukkan nilai tegangan V S2 lebih besar dibandingkan nilai tegangan V S dan sinus sudut δ S lebih besar dibandingkan sinus sudut δ S2 sehingga aliran daya aktif dari sisi kiri ke sisi kanan di saluran transmisi setelah dipasang UPFC lebih besar dibandingkan aliran daya aktif sebelum dipasang UPFC. Sudut δ S adalah beda fasa antara tegangan sisi kiri sistem sebelum dipasang UPFC dengan tegangan sisi kanan. Sudut δ S2 adalah beda fasa antara tegangan sisi kiri sistem setelah dipasang UPFC dengan tegangan sisi kanan. 2.2. Pemodelan Konverter Shunt 1 Konverter shunt 1 mempunyai peran menyerap daya aktif dari jaringan untuk menghasilkan tegangan DC pada kapasitor DC sehingga kapasitor DC seolaholah menjadi sumber tegangan DC. Gambar 3 menunjukkan konfigurasi rangkaian konverter shunt 1 yang merupakan rectifier tiga fasa yang terdiri dari enam buah dioda sebagai penyearah. Karena arus yang masuk ke konveter shunt 1 sangat kecil dibandingkan dengan arus pada jaringan, tegangan pada kapasitor DC akan bernilai konstan.

Ish2_a + Vdc - Ish2_b Ish2_c Gambar 3 : Konverter shunt 1 2.3. Pemodelan Konverter Shunt 2 Gambar 4 menunjukkan konfigurasi konverter shunt 2. Konverter shunt 2 adalah inverter tiga fasa yang terdiri dari enam buah Insulate Gate Bipolar Transistor (IGBT) yang berfungsi sebagai saklar. Masing-masing IGBT diberi sinyal kontrol berbedabeda yang dihasilkan oleh rangkaian kontrol konverter shunt 2. Konverter shunt 2 berfungsi untuk menyuntikkan arus AC ke jaringan. Arus yang disuntikkan oleh konverter shunt 2 akan mengatur arus dari kapasitor seri yang selanjutnya dikonversi menjadi tegangan seri pada kapasitor seri. Arus yang diinjeksikan oleh konverter shunt 2 ini didapat dari kapasitor DC yang berfungsi sebagai sumber tegangan DC. 2.4. Pemodelan Rangkaian Kontrol Konverter Shunt 2 Rangkaian kontrol konverter shunt 2 berfungsi untuk mengendalikan aliran daya listrik pada saluran transmisi. Rangkaian kontrol konverter shunt 2 bekerja berdasarkan masukan berupa aliran daya aktif dan daya reaktif referensi yang diinginkan. Aliran arus tiap fasa pada akhir saluran transmisi dan arus tiap fasa pada ujung sisi kiri sesuai dengan aliran daya aktif referensi dapat dihitung dengan persamaan (4) berikut: I R ref = P ref R (4) 3V R Karena saluran transmisi yang digunakan adalah saluran transmisi jarak pendek, arus referensi pada ujung sisi kirm bernilai sama dengan arus pada akhir saluran transmisi yang ditunjukkan oleh persamaan (5) berikut: ref = I I S2 ref R (5) Setelah mengetahui arus referensi pada saluran transmisi, selanjutnya dapat dihitung tegangan referensi pada ujung sisi kiri, tegangan referensi Gambar 4 : Konverter shunt 2 pada kapasitor seri dan arus referensi pada kapasitor seri dengan persamaan (6), 7) dan (8) berikut: V ref S2 = V R + Z I R (6) V ref se = V ref S2 V S (7) I se = V ref se jx se (8) Dengan mengetahui arus referensi pada cujung sisi kiri dan arus pada kapasitor seri, dapat dihitung arus injeksi referensi dari konverter shunt 2 dengan persamaan (9) berikut: ref = I ref I I sh2 S2 ref se (9) Dengan demikian daya aktif yang diinginkan dapat dihasilkan dengan mengontrol arus yang diinjeksikan oleh konverter shunt 2. Gambar 5 menunjukkan diagram perhitungan arus injeksi referensi konverter shunt 2. Dengan masukan berupa daya aktif referensi, akan didapat arus referensi pada sisi kanan untuk fasa yang pertama. Arus referensi pada fasa kedua didapat dengan memberikan sudut penundaan sebesar 120ᴼ sedangkan arus referensi pada fasa ketiga didapat dengan memberikan sudut penundaan sebesar 240ᴼ. Selanjutnya masing-masing fasa dari arus referensi pada sisi kanan diolah pada pemodelan persamaan (6) hingga persamaan (9) untuk mendapatkan arus injeksi referensi dari konverter shunt 2. Untuk menghasilkan aliran daya aktif sesuai dengan nilai referensi yang diinginkan, arus injeksi referensi konverter shunt 2 yang telah didapatkan dari pemodelan persamaan (6) hingga (9), dimodulasi untuk menghasilkan sinyal yang mengatur penyalaan IGBT pada konverter shunt 2. Pada tugas akhir ini, metode pengontrolan yang digunakan adalah metode kontrol Pulse Width Modulation (PWM) arus histerisis.

φ ref P R_ref Magangle to R I I sh2-a_ref R-a_ref 1/V complex I R_ref I I sh2-b_ref Delay R-b_ref 120 0 Eq. 6-9 I R-c_ref I sh2-c_ref Delay 240 0 Gambar 5 : Diagram perhitungan arus injeksi referensi konverter shunt 2 I S2-a_ref + - I S2-a Blok Histerisis S1 S2 Tabel 1. Nilai Parameter Sistem Parameter Sistem Nilai Tegangan RMS Fasa-Netral 86,6 5ᴼ kv Sisi Kiri Tegangan RMS Fasa-Netral 86,6 0ᴼ kv Sisi Kanan Frekuensi Kerja 50 Hz Resistansi Saluran Transmisi / 3,34 Ω Fasa Induktansi Saluran Transmisi / 0,104 H Fasa Kapasitansi Kapasitor Seri / 0,124 mf Fasa Kapasitansi Kapasitor DC 1 mf Rating Daya Transformator 1000 MW Shunt I S2-b_ref I S2-b I S2-c_ref I S2-c Blok Histerisis Blok Histerisis Gambar 6 : Diagram kontrol PWM histerisis Gambar 6 menunjukkan diagram kontrol PWM histerisis yang digunakan untuk menghasilkan sinyal kontrol untuk konverter shunt 2. Masing-masing fasa dari arus injeksi referensi konverter shunt 2 dibandingkan dengan arus injeksi yang terukur dari konverter shunt 2 pada fasa yang sama. Selisih dari arus referensi dan arus yang terukur diolah dalam blok histerisis sehingga selisih arus tetap berada dalam batas atas dan batas bawah yang ditentukan. Keluaran dari blok histerisis berupa sinyal logika 1 dan 0. Keluaran dari blok histerisis masing-masing fasa dibagi menjadi dua dimana salah satunya diberi sinyal logika NOT sehingga berkebalikan dengan sinyal aslinya. Urutan sinyal keluaran PWM histerisis yang masuk ke saklar IGBT konverter shunt 2 dapat dilihat pada Gambar 6 dan Gambar 4. S3 S4 S5 S6 3.2 Simulasi Sistem Tanpa UPFC Simulasi sistem tanpa UPFC dilakukan dengan parameter tegangan, frekuensi dan impedansi sesuai dengan nilai yang tertera pada Tabel 1. Beban yang diberikan pada sisi kanan adalah beban resistif 400 MW per fasa yang bernilai konstan. Gambar 7 menunjukkan aliran daya satu fasa dari sisi kiri ke sisi beban. Aliran daya aktif yang timbul dari sisi kiri sebesar 39,3 MW sesuai dengan persamaan (2). Gambar 8 menunjukkan aliran daya dari sumber sisi kanan ke beban. Karena aliran daya dari sisi kiri hanya sebesar 39,3 MW, sumber sisi kanan menyuplai kekurangan daya yang dibutuhkan beban. Daya aktif yang disuplai oleh sumber sisi kanan ke beban adalah sebesar 360,7 MW. Dari hasil simulasi didapatkan tegangan fasa dan arus fasa dari sisi kiri pada saluran sistem tanpa UPFC. Pada sistem tanpa UPFC, tegangan pada sisi kiri saluran sama dengan tegangan pada sumber sisi kiri dengan nilai rms 86,6 kv. 3. PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISIS DATA 3.1. Nilai Parameter Sistem Tabel 1 menunjukkan nilai parameter yang digunakan pada simulasi. Nilai kapasitor seri dan kapasitor DC yang digunakan disesuaikan dengan nilai pada referensi [1]. Transformator shunt 1 dan transformator shunt 2 memiliki spesifikasi yang sama yaitu rating daya 1000 MW dan rasio belitan 1:1. Sudut fasa tegangan pada sisi kiri mendahului sebesar 5ᴼ terhadap tegangan sisi kanan sehingga walaupun UPFC belum terpasang, akan terdapat aliran daya aktif pada saluran sesuai dengan persamaan (2) dan (3). Gambar 7 : Aliran daya aktif satu fasa dari sisi kiri sistem tanpa UPFC

Gambar 8 : Aliran daya aktif satu fasa dari sisi kanan sistem tanpa UPFC 3.3 Simulasi Sistem Dengan UPFC Simulasi yang dijalankan pada sistem dengan UPFC dilakukan dengan parameter sistem seperti pada Tabel 1. Simulasi sistem dengan UPFC dibagi menjadi dua yaitu sistem dengan beban konstan dan sistem dengan beban berubah. 3.3.1 Simulasi Sistem Dengan UPFC Pada Beban Konstan Pada simulasi dengan beban konstan, beban yang diberikan bernilai sama dengan beban pada sistem tanpa UPFC yaitu beban resistif 400 MW per fasa. Untuk simulasi yang pertama daya aktif referensi per fasa diatur pada nilai 200 MW. Gambar 9 menunjukkan aliran daya aktif dari sisi kiri. Hasil simulasi menunjukkan bahwa aliran daya aktif dari sisi kiri ke beban adalah 212,2 MW. Hasil ini menunjukkan bahwa terdapat selisih atau error antara daya referensi dengan daya sebenarnya. Hal ini dapat disebabkan karena pembulatan yang kurang sempurna pada beberapa parameter rangkaian kontrol maupun kinerja kontrol PWM arus histerisis yang kurang sempurna. Kinerja pengontrolan UPFC dapat dilihat dari error antara daya referensi dan daya yang terukur. Pada referensi daya aktif 200 MW, nilai error adalah: error P = 3,6 100% = 6,1% 300 Gambar 10 : Aliran daya aktif satu fasa dari sisi kanan sistem dengan UPFC diset pada daya aktif 200 MW Gambar 10 menunjukkan aliran daya aktif dari sumber sisi kanan ke beban. Jika semula sumber sisi kanan harus menyuplai beban sebesar 360,7 MW, dengan adanya UPFC mampu membuat aliran daya dari sisi kiri menjadi lebih besar sehingga daya yang harus disuplai oleh sisi kanan menjadi lebih kecil. Pada kondisi ini daya yang disuplai dari sumber sisi kanan menjadi 187,8 MW. Hasil simulasi menunjukkan bahwa tegangan fasa dan arus saluran dari sisi kiri mengalami kenaikan dibandingkan dengan tegangan dan arus sistem tanpa UPFC. Pada kondisi ini nilai rms tegangan pada ujung sisi kiri menjadi 105 21,82ᴼ kv. Gambar 11 menunjukkan spektrum frekuensi tegangan injeksi dari konverter shunt 2. Pada kondisi ini diperoleh THD tegangan yang sangat rendah yaitu 0,67%. Nilai ini jauh di bawah standar THD tegangan untuk sistem 150 kv sebesar 2,5%. Dengan merubah referensi daya aktif yang diinginkan, didapat nilai-nilai yang dituliskan dalam Tabel 2. Perubahan referensi daya aktif yang dilakukan antara 200 hingga 300 MW. Dari Tabel 2 diketahui bahwa THD tegangan injeksi pada kapasitor seri mengalami kenaikan seiring dengan peningkatan aliran daya. Namun nilai THD ini masih berada di bawah standar THD tegangan yang diizinkan. Gambar 9 : Aliran daya aktif satu fasa dari sisi kiri sistem dengan UPFC diset pada daya aktif 200 MW Gambar 11 : Spektrum frekuensi tegangan injeksi

Pref (MW) Tabel 1. Nilai Parameter Sistem P (MW) P Vse (kv) THD Vse 200 208,2 2,1% 32,56 0,67% 225 228,1 1,5% 37,55 0,99% 250 254,25 1,7% 41,74 1,27% 275 280,9 2,1% 45,91 1,75% 300 304,4 1,5% 50,39 1,98% 4. KESIMPULAN 1. UPFC berbasis dua konverter shunt dan kapasitor seri mampu mengatur aliran daya aktif pada saluran transmisi sesuai dengan daya referensi yang diberikan dengan tingkat error di bawah 2,5%. 2. Nilai THD tegangan injeksi yang dihasilkan oleh UPFC meningkat seiring peningkatan daya aktif. Namun nilai THD tegangan injeksi yang dihasilkan berada di bawah standar THD tegangan yang diizinkan dengan nilai THD tegangan injeksi di bawah 2,5%. 3. UPFC mampu mengatur aliran daya dari sisi kiri tetap stabil walaupun terjadi perubahan beban. Aliran daya hanya berubah ketika daya referensi yang diberikan pada UPFC berubah. DAFTAR REFERENSI Gambar 12 : Daya yang diserap beban dan aliran daya dari sisi kirim dan sisi terima pada kondisi beban berubah 3.3.2 Simulasi Sistem Dengan UPFC Pada Kondisi Beban Berubah Pada sistem transmisi listrik, adanya perubahan beban adalah hal yang wajar. Pada simulasi ini beban yang terpasang berubah seiring dengan waktu. Pada kondisi awal, beban yang terpasang adalah 400 MW per fasa sedangkan daya aktif referensi dari UPFC adalah 200 MW per fasa. Selanjutnya beban naik menjadi 500 MW. Karena aliran daya dari sisi kiri diatur tetap oleh UPFC, kenaikan daya yang diserap beban ditanggung oleh sumber sisi kanan. Agar sumber sisi kanan tidak menanggung daya yang terlalu besar, daya referensi dari UPFC dinaikkan menjadi 300 MW. Selanjutnya beban kembali meningkat menjadi 600 MW. Untuk menanggulangi kenaikan daya tersebut, daya referensi UPFC kembali ditingkatkan menjadi 400 MW pada detik 1,5. Daya yang diserap oleh beban, respon aliran daya dari sisi kiri terhadap perubahan daya referensi serta respon aliran daya dari sis kanan terhadap perubahan beban dan perubahan daya referensi UPFC ditunjukkan oleh Gambar 12. [1] Sadigh, A.K., Hagh, M.T., Sabahi, M., Unified Power Flow Controller Based on Two Shunt Converters and A Series Capacitor, Electric Power Systems Research, vol. 80, pp.1511-1519, 2010. [2] Kalyani, S.T., Das, G.T., Simulation of Real and Reactive Power Flow Control With UPFC Connected to A Transmission Line, Journal of Theoretical and Applied Information Technology, pp.16-22, 2008. [3] Han, B.M., Baek, S.T., Kim, H.J., Choo, J.B., Jang, G.S., Novel Unified Power Flow Controller Based on H-Bridge Modules, Electric Power Systems Research, vol. 70, pp.64-75, 2003. [4] Rashid, M.H., Power Electronics Handbook Second Edition, Elsevier, San Diego, 2007. [5] Geetalakshmi, B. dan Dananjayan, P., Investigation of UPFC Without DC Link Capacitor, Electric Power Systems Research, vol. 78, pp.736-746, 2007.