1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pertumbuhan ekonomi, teknologi, dan industri pada zaman modern ini mengakibatkan peningkatan kebutuhan energi listrik. Hampir seluruh peralatan penunjang industri dan bisnis membutuhkan pasokan energi listrik. Untuk menjamin keberlangsungannya, penyedia listrik harus selalu mampu menyediakan pasokan energi listrik yang dibutuhkan. Secara umum, produksi energi listrik skala besar dilakukan pada lokasi yang jauh dari pusat beban karena ketersediaan sumber energi, kebutuhan sistem pembangkit oleh kondisi tertentu yang tidak didapat di pusat beban, dan keterbatasan sumber energi, sehingga energi listrik dikirimkan ke pusat-pusat beban melalui saluran transmisi dengan kapasitas yang terbatas, dan pada pengoperasiannya dapat menimbulkan permasalahan stabilitas sistem tenaga listrik. Untuk memenuhi kebutuhan listrik yang terus meningkat, dibutuhkan peningkatan kapasitas pembangkit atau penambahan jaringan, akan tetapi hal tersebut tidak dapat direalisasikan secara cepat karena adanya banyak faktor. Lambannya penambahan kapasitas pembangkit atau penambahan jaringan dapat mengancam stabilitas sistem (D.P. Kothari, 2009). Stabilitas sistem tenaga berhubungan langsung terhadap perubahan beban elektris (Kundur, 1994). Studi dinamika dan stabilitas suatu sistem tenaga paling sederhana adalah studi tentang respon sebuah generator yang terhubung dengan jaringan sistem tenaga besar ketika terjadi gangguan sinyal kecil seperti kenaikan beban atau penurunan beban. Hal ini dijelaskan dengan pemodelan yang dinamakan dengan Single Machine Infinite Bus yang ditemukan oleh Phillips-Heffron pada tahun 1952 (Kundur, 1994). Pemodelan ini berupa kumpulan dari persamaan stator dan rotor generator menjadi sebuah state-space equation dan blok diagram yang memudahkan penelitian tentang kestabilan. Dinamika perubahan ini juga membutuhkan suatu kompensator untuk mengkompensasi beban reaktif. Kompensator konvensional seperti fixed capacitor atau capacitor bank tidak cukup untuk mengatasi masalah kestabilan 1
2 sistem dan dinamika beban. EPRI (Electric Power Research Institute) memperkenalkan pendekatan baru untuk memecahkan masalah dalam merancang, mengendalikan dan mengoperasikan sistem tenaga listrik yaitu menggunakan FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System). Dr. Hingorani mengenalkan konsep FACTS untuk menambah kapasitas transfer jaringan yakni dengan menggunakan teknologi elektronika daya yang saat itu juga sedang berkembang pesat. Penemuan FACTS yang paling terkenal adalah SVC (Static VAR Compensator) terpasang paralel yang diuji coba di Nebraska dan diperjualbelikan oleh General Electric pada tahun 1974 dan Westinghouse di Minnesota pada tahun 1975. FACTS merupakan kompensator yang dapat dikontrol dengan fleksibel serta meningkatkan kapabilitas aliran daya pada sistem arus bolak-balik/alternating current (AC) dengan basis komponen elektronika daya (semi-conductor) dan pengontrol statis (Hingorani & Gyugyi, 2000). Adanya tambahan peralatan FACTS tentu saja sangat berpengaruh terhadap karakter dinamis suatu sistem tenaga. Perubahan ini menyebabkan adanya studi tentang model dinamis suatu sistem ketenagalistrikan yang terpasang FACTS dan kendalinya untuk meredam osilasi yang terjadi pada saat terjadi keadaan transien. Kendali umpan balik tradisional pada sistem ketenagalistrikan seperti governor dan eksitasi kurang mampu memberikan redaman osilasi sehingga dibutuhkan peralatan kendali tambahan seperti PSS (Power System Stabilizer) yang memberi umpan pada sistem eksitasi generator dan POD (Power Oscillation Damping) yang memberi umpan pada sistem FACTS. Salah satu teknik kendali yang sangat baik untuk digunakan pada peralatan kendali sistem tenaga seperti PSS adalah PID (Proportional Integral Derivative controller) (Abdul-Ghaffar, Ebrahim, & Azzam, 2013). Pada studi kali ini jenis FACTS yang akan dibahas yaitu STATCOM (Static Synchronous Compensator) pada SMIB (Single Machine Infinite Bus). STATCOM beroperasi pada generator sinkron seperti kompensator var yang dipasang secara paralel dimana nilai kapasitansi/induktansi dapat di kontrol pada sistem tegangan bolak-balik (Mohan Mathur & Rajiv, 2002). Agar penggunaan STATCOM ini menjadi optimal dibutuhkan parameter/koefisien pengendalian
3 dengan nilai tertentu. Metode optimisasi untuk mencari parameter kendali ini adalah Flower Pollination yang ditemukan oleh Dr. Xin-She Yang pada tahun 2012. Flower Pollination Algorithm (FPA) dipilih karena sifatnya yang cepat konvergen. Jika metode ini dibandingkan dengan Genetic Algorithm maupun Particle Swarm Optimization, metode ini memiliki jumlah iterasi yang lebih sedikit untuk menuju nilai yang konvergen (Yang, Flower Pollination Algorithm for Global Optimization, 2012). 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang masalah yang telah dijelaskan, maka terdapat beberapa perumusan masalah yang akan dibahas yaitu: 1. Bagaimana tanggapan dinamis SMIB terhadap perubahan beban elektris sebelum dan sesudah penambahan STATCOM? 2. Bagaimana tanggapan dinamis SMIB terhadap perubahan beban elektris sesudah terpasang STATCOM dan POD yang dikendalikan secara PID yang dioptimalkan dengan algoritme Flower Pollination? 3. Bagaimana tanggapan dinamis SMIB terpasang FACTS terkendali yang ditambah PSS dengan kendali PID yang dioptimalkan dengan algoritme Flower Pollination? 1.3 Batasan Masalah Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah: 1. Sistem tenaga yang digunakan pada penelitian ini adalah SMIB yakni sebuah generator sinkron yang terhubung dengan bus tak hingga melalui sebuah jaringan transmisi dengan nilai tertentu. 2. Optimisasi kendali pada POD dan PSS adalah optimisasi konstanta kendali proportional (K P ), integral (K I ), dan differential (K D ) pada POD dan PSS dengan menggunakan algoritme Flower Pollination.
4 3. Optimisasi dibatasi dengan objective function berupa fungsi fitness dari nilai eigenvalue matriks A dari persamaan state space sistem. 4. Penelitian berupa analisis dinamis dan pengamatan keadaan peredaman osilasi, overshoot, dan settling time pada tanggapan perubahan kecepatan sudut rotor dan tanggapan perubahan sudut rotor sinyal gangguan kecil, yaitu dengan adanya kenaikan beban elektris sebesar 0,2 pu. 1.4 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah 1. Mengetahui unjuk kerja kestabilan sistem SMIB sebelum terpasang STATCOM dan sesudah terpasang STATCOM. 2. Mengetahui parameter optimal pengendali STATCOM yakni POD dengan menggunakan algoritme Flower Pollination. 3. Mengetahui pengaruh penambahan PSS dan nilai optimal kendali PSS maupun POD dengan menggunakan algoritme Flower Pollination. 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat yang didapat dari penelitian ini adalah: 1. Menambah wawasan masalah sistem tenaga listrik, dengan mengetahui karakteristik STATCOM pada kestabilan sistem tenaga dan perubahan parameter yang dilakukan. 2. Mengetahui rancangan awal kendali suatu sistem tenaga yang akan diberi peralatan tambahan FACTS yakni STATCOM, sehingga pemasangan STATCOM dapat diimplementasikan pada sistem ketenagalistrikan di Indonesia.
5 1.6 Sistematika Penulisan Penulisan laporan penelitian ini terdiri dari lima bab, yaitu: BAB I: Pendahuluan yang berisi pembahasan mengenai latar belakang permasalahan, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan penelitian. BAB II: Dasar teori mengenai dinamika dan stabilitas sistem tenaga, kestabilan kendali kalang tertutup, power system stabilizer dan power oscillation damping, peralatan FACTS, static synchronous compensator, single machine infinite bus, dan algoritme Flower Pollination (FP). BAB III: Metode penelitian yang membahas alat penelitian, diagram alir penelitian, data penelitian, variabel penelitian, penghitungan parameter sistem tenaga, perancangan kendali PSS dan POD, dan fungsi objektif untuk penalaan konstanta PID dengan algoritme FP. BAB IV: Hasil dan pembahasan, berisi pengujian dan pembahasan unjuk kerja berbagai skenario percobaan sistem mesin tunggal dengan parameter kendali menggunakan algoritme FP. BAB V: Kesimpulan dan saran, berisi intisari yang ditarik dari seluruh hasil percobaan dan saran-saran untuk pengembangan dan perbaikan penelitian di waktu yang akan datang.