JURNAL TEKNIK POMITS ol., No., (204) - Analisis Kestabilan Transien dan Mekanisme Pelepasan Beban di PT. Badak NGL Muhammad Rizal Fauz, Ardono Priadi, dan Margo Pujiantara Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arie Rahman Hakim, Surabaa 0 E-mail: priadi@ee.its.ac.id, margo@ee.its.ac.id Abstrak PT. Badak NGL merupakan sebuah perusahaan ang bergerak dalam bidang produksi Natural Gas Liquids atau ang lebih sering kita dengar dengan Gas Alam Cair. Dimana PT. Badak NGL ini menuplai listrik ang dibutuhkan tidak dari sumber PLN melainkan dari sumber pembangkit sendiri. Seperti laakna pabrik-pabrik berskala besar lainna, PT. Badak harus tetap dijaga kontinuitas aliran listrikna, agar dapat selalu stabil proses produksi sehingga, hasil produksi dapat maksimal. Sebab apabila proses produksi terganggu oleh suplai listrik ang tidak stabil, apalagi sampai shut down, maka kerugian ang terjadi akan sangat besar, maka untuk itu salah satu hal ang penting untuk diperhatikan adalah sistem pengaman listrik ang berada di PT. Badak NGL. Tugas akhir ini menganalisa kestabilan transien dan mekanisme pelepasan beban ang terdapat pada sistem kelistrikan PT. Badak NGL Bontang hingga diperoleh keandalan dan kontinuitas ang laak.. Pada tugas akhir ini analisis ang dilakukan meliputi kestabilan transien dan mekanisme pelepasan beban akibat generator outage, short circuit, dan motor starting. Hasil simulasi menunjukkan bahwa lepasna generator ketika 7 generator ON memerlukan adana skema load shedding tahap pertama dan lepasna dua generator ketika generator ON memerlukan adana load shedding tahap kedua. Dalam kasus hubung singkat di bus, tegangan sistem turun hingga mencapai kondisi terendah sehingga diperlukan pengisolasian gangguan melalui pembukaan CB di sumber gangguan. Selain itu, kasus motor starting masih diperbolehkan saat generator ON. Kata Kunci gangguan transien, kestabilan transien, load shedding, standar abnormal requenc I. PENDAHULUAN S TABILITAS dari sistem tenaga listrik merupakan masalah penting untuk mengamankan sistem operasi dalam tenaga listrik. Banak kejadian pada sitem kelistrikan disebabkan oleh ketidakstabilan sistem tenaga. Kejadian ini telah menunjukkan bahwa stabilitas sistem tenaga menjadi enomena penting. Sistem tenaga listrik beroperasi dalam keadaan stabil jika terdapat keseimbangan antara daa mekanik penggerak utama (prime mover) dengan daa output listrik. Dalam keadaan ini semua generator berputar pada kecepatan sinkron. Setiap kenaikkan atau penurunan beban harus diikuti dengan perubahan daa mekanik prime mover generator. Jika daa mekanik pada poros penggerak awal tidak dengan segera menesuaikan dengan besarna beban listrik maka rekuensi dan tegangan akan bergeser dari posisi normal. Apabila tidak segera menesuaikan maka akan membuat sistem menjadi tidak stabil. Kelebihan daa mekanik terhadap daa listrik mengakibatkan percepatan putaran generator atau sebalikna. Bila gangguan tidak dihilangkan dengan segera, maka percepatan atau perlambatan putaran rotor generator akan menebabkan hilangna sinkronisasi pada generator sinkron. PT. Badak NGL merupakan sebuah perusahaan ang bergerak dalam bidang produksi Natural Gas Liquids atau ang lebih sering kita dengar dengan Gas Alam Cair. Dalam memenuhi kebutuhan daa listrik, PT. Badak NGL memiliki 2x2.5MW generator turbin uap, x2.5mw generator turbin gas, dan x5mw generator disel guna mensuplai listrik. Untuk itu, kestabilan transien pada PT. Badak NGL perlu dianalisis secara mendalam, sehingga perlu dilakukan studi stabilitas transien untuk mengetahui keandalan sistem saat terjadi gangguan transien. Pada tugas akhir ini analisis ang dilakukan meliputi kestabilan transien dan mekanisme pelepasan beban akibat generator lepas, motor starting, dan hubung singkat. II. KESTABILAN TRANSIEN A. Kestabilan Sistem Tenaga Listrik Berdasarkan paper IEEE Transactions On Power Sstems dengan judul Deinition and Classiication o Power Sstem Stabilit, kestabilan sistem tenaga listrik dibagi menjadi tiga kategori, aitu [] :. Kestabilan sudut rotor 2. Kestabilan tegangan 3. Kestabilan rekuensi ) Kestabilan sudut rotor adalah kestabilan saat mesin terhubung interkoneksi sehingga mesin masih dalam keadaan sinkron setelah terjadi gangguan. Hal ini tergantung kemampuan mempertahankan keseimbangan antara torsi elektromekanik dan torsi mekanik pada mesin tersebut. 2) Kestabilan rekuensi mengacu pada kemampuan sistem tenaga untuk mempertahankan rekuensi agar tetap stabil ketika terjadi gangguan sistem ang besar akibat ketidakseimbangan antara suplai daa dan beban. 3) Kestabilan tegangan mengacu pada kemampuan sistem tenaga untuk mempertahankan kestabilan tegangan pada semua bus dari sistem tenaga setelah mengalami gangguan. B. Kestabilan Transien Kestabilan transien aitu kemampuan dari power sstem (sistem tenaga) untuk mempertahankan kesinkronan setelah mengalami gangguan besar ang bersiat tiba-tiba selama sekitar satu aunan pertama. Kestabilan transien terjadi saat
JURNAL TEKNIK POMITS ol., No., (204) - 2 pengatur tegangan otomatis dan pengatur rekuensi belum bekerja [2]. Sudut Rotor 2 3 adalah diesel ang berbahan bakar solar. dimana proses dalam pembangkitanna hana membutuhkan waktu sesaat saja Stabilitas sistem transien dalam suatu pabrik juga ditentukan oleh peralatan kontrol dan mode governor ang ada di pabrik tersebut. I. SIMULASI DAN ANALISIS A. Studi K asus Simulasi Kestabilan Transien Gambar. Respon sudut rotor terhadap gangguan transien [3] a), sudut rotor mengalami kenaikan hingga nilai maksimum kemudian berosilasi sehingga sudut rotor kembali mencapai kondisi stable [3]. b) 2, rotor kehilangan sinkronisasi sehingga saat aunan pertama, sudut rotor terus naik mencapai kondisi unstable. Penebab utama kasus 2 aitu kurangna sinkronisasi torsi [3]. c) 3, sistem tetap stable saat aunan pertama namun pada kondisi akhir sistem menjadi unstable. Bentuk unstable kasus 3 umumna terjadi saat kondisi postault -. C. Pelepasan Beban Pokok permasalahan dari pelepasan beban di suatu sistem adalah menentukan jumlah pelepasan beban, macam-macam beban ang dilepas untuk pertahapna, rekuensi dimana akan dilepas, dan keterlambatan waktu ang direncanakan pada setiap pelepasan. Pelepasan beban bertujuan agar jumlah suplai daa dan permintaan beban dapat seimbang. Pelepasan beban dapat dilakukan dengan dua cara aitu pelepasan beban secara manual dan pelepasan beban secara otomatis. III. SISTEM KELISTRIKAN PT. Badak NGL. 2 3 4 5 7 Tabel. dan deskripsi analisis kestabilan transien No Keterangan. GENo Generator PG-3 outage dari sistem 2. GENo+LS Generator PG-3 outage dari sistem dilanjutkan dengan Load Shedding 3. 2GENo Generator PG-3 dan PG-4 outage dari sistem 4. 2GENo+LS Generator PG-3 dan PG-4 outage dari sistem dilanjutkan dengan Load Shedding 5. SC Gangguan hubung singkat di bus 35 (0,4 k) dilanjutkan dengan CB open saat 0,4 s setelah gangguan. SC2 Gangguan hubung singkat di bus HPS-72 (4. k) dilanjutkan dengan CB open saat 0,4 s setelah gangguan 7. SC3 Gangguan hubung singkat di bus 32PS- 74 (3. k) dilanjutkan dengan CB open saat 0,4 s setelah gangguan. MS CWP on (2 Motor Starting) (32GM- dan 32GM-2) (@3300 kw) B. Simulasi Kestabilan Transien Generator Outage B. Studi GENo Tabel. 2 Rekapitulasi rekuensi dan tegangan studi kasus GENo min min ID Bus GENo 9,35 - Kondisi 97, 9,75 X 97, 99,75 Tabel. 3 Rekapitulasi sudut rotor studi kasus GENo Sudut Rotor Awal Sudut Rotor Stead State GENo 4,4,5 Gambar. 2 Single line diagram PT. Badak NGL PT Badak NGL memiliki kapasitas pembangkitan 2.5 MW sebanak 3 unit. Selain itu unit generator berkapasitas 5 MW tidak dioperasikan ketika sistem bekerja normal. Generator tersebut baru dioperasikan ketika pabrik mengalami black out start up. Generator PG- dipilih sebagai generator untuk black out start up karena start up generator tersebut cukup sebentar saja karena prime mover ang digunakan Berdasarkan data dapat disimpulkan bahwa respon rekuensi, tegangan, dan sudut rotor kembali stabil namun belum memenuhi standar dari abnormal requenc. Menurut IEEE Std C37.0-2003, kondisi rekuensi generator untuk steam turbine ang diperbolehkan aitu antara 99,7% - 00,3%. Dengan respon rekuensi seperti ini maka sistem belum memenuhi standar rekuensi abnormal sehingga perlu dilakukan load shedding untuk memperbaiki respon sistem.
JURNAL TEKNIK POMITS ol., No., (204) - 3 B.2 Studi K OFF dengan Load Shedding Frekuensi Gambar. 3 Respon Frekuensi Saat Generator Outage dari Sistem Gambar 3 menunjukkan bahwa pelepasan beban pertama dilakukan saat rekuensi mencapai 97,9995% dari rekuensi normal atau sekitar 4,99975 Hz. Load shedding tahap memerlukan dela ccle atau 0,2 s. Persentase rekuensi sebesar 97,9995% dari kasus sebelum load shedding dicapai pada waktu 9,92 s. Waktu ang diperlukan untuk melakukan load shedding aitu 9,92 + 0,2 = 0,04 s. Total beban ang dilepas sekitar 4% dari total beban PT. Badak NGL aitu sebesar 3,4MW. Dari hasil load shedding rekuensi sistem telah memenuhi standar dan stabil pada 00% atau 50 Hz. Gambar. 5 Respon Sudut Rotor Saat Generator Outage dari Sistem Dilanjutkan dengan Mekanisme Load Shedding Berdasarkan data setelah load shedding di atas dapat disimpulkan bahwa respon rekuensi kembali stabil dan telah memenuhi standar dari abnormal requenc. Standar respon tegangan dari sistem masih diizinkan karena berada dalam range -0% dan +5%. B.3 Rekapitulasi Studi Generator Outage Simulasi generator outage lainna tidak banak perbedaan dengan GENo dan untuk selengkapna dapat dilihat pada tabel rekapitulasi generator outage berikut ini: Tabel. 4 Rekapitulasi sudut rotor studi kasus generator outage Sudut Rotor Awal Sudut Rotor Stead State Tegangan GENo 4,4,7 GENo+LS 4,4 5, 2GENo 4,4 0 2GENo+LS 4,4 7 2GENo+LS2 4,4,3 Gambar. 4 Respon Tegangan Saat Generator Outage dari Sistem Dilanjutkan dengan Mekanisme Load Shedding Berdasarkan data tegangan setelah load shedding tahap, respon tegangan bus dan mengalami kedip tegangan (voltage sag) terendah dari ketiga bus mencapai nilai di 97,9% dari tegangan nominal pada detik,02s. Tegangan pada semua bus pada 00%, tetapi pada bus pada 99,34%, dan pada 99,0%. Untuk respon sudut rotor menunjukkan perubahan pada swing generator pada saat terjadi mekanisme pelepasan beban dengan sudut tertinggi sebesar.05 o dan mengalami pada 5, o. GENo GENo+ LS 9,35 4 9,35 4 97,99 00 Tabel. 5 Rekapitulasi rekuensi dan tegangan kasus generator outage >0 min ID 0% min Bus X 97,9 9, 7 3 7 Kond isi X 99,07 99, X X 97,9 99,9 00,2 0,0 00, 5 97,93 99,34 99,24 00 99,0 00
JURNAL TEKNIK POMITS ol., No., (204) - 4 min 2GENo 2,9 34 2GENo+ LS 2GENo+ LS 2 49, 49, 9, 00 ID Bus >0 0% min Kond isi X 79,3 0 X X X 79,2 0 X X 77,7 79 X X 95,4 97 X 9,3 97,5 X X 93,34 94,73 00, 95,4 99, 00,9 9,3 99,3 X 93,34 97 Tegangan Gambar. 7 Respon Tegangan Saat Terjadi Gangguan Hubung Singkat di Bus 4, CB 307 dan 30 Bekerja pada 4,4 s Tabel. Rekapitulasi beban load shedding Load Shedding Beban MW GENo Load Shedding 0,04 4 3,4 2GENo Load Shedding 2,0 4 3,4 Load Shedding 2 2.702, 5,73 Total 29,37 C. Simulasi Kestabilan Transien Short Circuit C. Studi SC Pada kasus SC disimulasikan sistem mengalami gangguan hubung singkat 3 asa saat detik ke- pada bus 35 dengan rating tegangan 0,4 k. CB 27 open untuk mengatasi gangguan dan melindungi sistem. Frekuensi Gambar. Respon Frekuensi Saat Terjadi Gangguan Hubung Singkat di Bus 35, CB 27 Bekerja pada,4 s Gambar Respon Sudut Rotor Saat Terjadi Gangguan Hubung Singkat di Bus 4, CB 307 dan 30 Bekerja pada 4,4 s Analisis ang dapat diambil aitu: ) Frekuensi Bus Pada gambar menunjukkan bahwa hasil simulasi rekuensi sistem ketika terjadi kasus SC. Frekuensi sistem mengalami penurunan hingga 99,95% saat detik ke,4 s karena CB open (t=,4 s) untuk mengatasi gangguan. Frekuensi sistem ang menurun secara sementara diakibatkan oleh integrasi sistem ring ang besar. Setelah itu sistem mengalami kenaikan tertinggi hingga 00,057% saat detik ke 3,02 s. Frekuensi mencapai kondisi pada 00% dari rekuensi nominal atau 50 Hz dengan durasi simulasi 50 detik. 2) Tegangan Bus Pada gambar 7 menunjukkan bahwa hasil simulasi tegangan saat kasus SC. Kondisi tegangan saat terjadi gangguan, turun pada kondisi terendah pada bus hingga,302% saat detik ke 4,0 s. Hasil simulasi tersebut terjadi karena arus hubung singkat ang besar mengalir dalam impedansi sistem sehingga kondisi tegangan menurun secara signiikan bergantung pada level tegangan titik gangguan. Setelah CB bekerja, seluruh bus utama mencapai kondisi pada 00%, kecuali pada bus pada 9,3% dari tegangan nominal. 3) Sudut Rotor Pada gambar menunjukkan bahwa perubahan sudut rotor pada swing generator dari pada saat sebelum gangguan sebesar 4.4 o, berosilasi dan mengalami pada 4,5 o.
JURNAL TEKNIK POMITS ol., No., (204) - 5 Berdasarkan data setelah simulasi di atas dapat disimpulkan bahwa respon rekuensi, tegangan, dan sudut rotor kembali stabil dan telah memenuhi standar dari abnormal requenc. Standar respon tegangan dari sistem masih diizinkan karena berada dalam range -0% dan +5% tanpa dilakukan mekanisme generator shedding. C.2 Rekapitulasi Studi Short Circuit Tabel. 7 Kas us SC SC 2 SC 3 Rekapitulasi rekuensi dan tegangan kasus short circuit min max sete stea aw mi setel lah d al ma n ah CB stat ( x (% SC ope e % ) n ) ID Bus BUS utama 7 BUS utama 7 BUS utama 7 00, 05 00, 34 02, 02 99,9 4 99, 3 9,9 9 Ko ndi si 00 0, 04, 0 3 5 00 0 93, 04, 0 0 00 00 0 4, 09, 0 7 00 0 3, 09, 0 7 00 00 0 07, 0 0 00 0 5, 09, 0 72 22 00 Tabel. Rekapitulasi sudut rotor kasus short circuit Sudut Rotor Awal Sudut Rotor Stead State SC 4,4 4,5 SC2 4,4 4,5 SC3 4,4 3, D. Simulasi Kestabilan Transien Motor Starting D. Studi MS Pada proses starting motor menebabkan terjadina drop tegangan secara cepat karena motor akan menarik arus dengan jumlah ang besar pada sistem. Apabila drop tegangan melewati batas standar ang diizinkan maka kestabilan sistem akan terganggu. Hal ini menebabkan pentingna dilakukan analisis terhadap proses penalaan motor. Dalam kasus ini, motor dengan ID 32GM- dan 32GM-2 berkapasitas 3300 kw akan dinalakan pada detik ke saat generator ON di sistem kelistrikan PT. Badak. Metode starting motor ang digunakan aitu DOL (Direct On Line) sehingga event ang digunakan pada simulasi aitu dengan menghubungkan switch ON (close) pada sistem. Frekuensi Gambar 9 Respon Frekuensi Saat Terjadi Starting Motor 2x3300 kw Gambar 9 menunjukkan bahwa sistem mengalami gangguan motor starting ketika detik ke- dengan lama simulasi 50 detik sehingga sistem mengalami penurunan rekuensi terendah mencapai 99,75% pada detik ke,7 s. Penurunan rekuensi terjadi karena daa elektrik lebih besar daripada daa mekanik. Sistem mencapai kondisi stabil pada rekuensi 00% dari rekuensi nominal atau 50 Hz. Tegangan Gambar 0 Respon Tegangan Saat Terjadi Starting Motor 2x3300 kw Berdasarkan data tegangan, respon tegangan bus 32PS-54 mengalami kedip tegangan (voltage sag) terendah mencapai nilai di 99,03% dari tegangan nominal pada detik, s. Kemudian respon tegangan mencapai kondisi pada tegangan 00% dari tegangan nominal. Gambar Respon Sudut Rotor Saat Terjadi Starting Motor 2x3300 kw
JURNAL TEKNIK POMITS ol., No., (204) - Gambar menunjukkan bahwa perubahan sudut rotor pada swing generator dari pada saat sebelum gangguan sebesar 4.4 o dan mengalami kenaikan hingga pada 5,7 o. Berdasarkan data simulasi dapat disimpulkan bahwa respon rekuensi, tegangan, dan sudut rotor kembali stabil dan telah memenuhi standar dari abnormal requenc. Standar respon tegangan dari sistem masih diizinkan karena berada dalam range -0% dan +5%. KESIMPULAN Dari 2 kasus lepasna pembangkit sebelum dilakukan mekanisme load shedding menebabkan kondisi ang dapat membahaakan sistem kelistrikan aitu seluruh kasus menebabkan underrequenc. Dari 3 kasus hubung singkat didapatkan bahwa seluruh kasus mengalami respon tegangan, rekuensi, dan sudut rotor tetap stabil dan masih dalam batas standar ang diizinkan sehingga sistem masih aman. PT. Badak NGL sangat handal dalam hal starting motor. Penalaan motor 2x3300 kw secara direct saat generator ON masih diizinkan karena tegangan dan rekuensi menurun namun masih dalam batas standar aman. DAFTAR PUSTAKA [] IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stabilit Terms and Deinitions, Deinition and Classiication o Power Sstem Stabilit, IEEE Transactions on Power Sstem, ol. 9, No. 2, Ma 2004. [2] Soeprijanto, Adi. Desain Kontroller untuk Kestabilan Dinamik Sistem tenaga Listrik. ITS Press, Surabaa, 202. [3] Kundur, Prabha, Power Sstem Stabilit and Control, McGraw-Hill Companies Inc, 994. BIODATA PENULIS Muhammad Rizal Fauz, dilahirkan di kota Semarang, Jawa Tengah pada 7 Juni 99. Penulis adalah putra dari pasangan Mohamad Nasir dan Hasbiah. Penulis memulai jenjang pendidikan di TK Aisiah 4, kemudian melanjutkan pendidikan ormal di SDN Kabluk 03-04 Semarang, SMP Nasima Semarang, dan SMAN 2 Semarang hingga lulus pada tahun 2009. Pada tahun 2009 penulis melanjutkan pendidikan ke jenjang perguruan tinggi di Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Selama kuliah, penulis akti sebagai sta di Disi Kalpataru Elektro ITS. Penulis juga pernah akti dalam kegiatan kepanitiaan seperti IEEE 200, HCC 200, dan LCEN 202. Penulis dapat dihubungi melalui email muhammad.rizal09@mhs.ee.its.ac.id.