Analisis Kestabilan Transien di PT. Akibat Penambahan Pembangkit 35 MW dan Pabrik P2-B Menggunakan Sistem Synchronizing Bus 33 kv Waskito Aji, Ardyono Priyadi, dan Margo Pujiantara Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60 E-mail: priyadi@ee.its.ac.id, margo@ee.its.ac.id Abstrak PT. Pupuk Sriwidjaja Pelembang () merupakan badan usaha milik negara yang bergerak dalam bidang produksi pupuk dan bahan kimia. Saat ini PT. memliki pembangkit GTG 3 x 8. 350 MW dan GTG 2.8 MW dengan beban sekitar 34 MW. Seiring dengan perkembangan suplai gas, beban dan tingkat kebutuhan daya serta rencana pengembangan. PT. melakukan penambahan pembangkit STG x35 MW serta penambahan beban pabrik baru P2-B menggunakan sistem synchronizing bus 33 kv. Sehubungan dalam hal tersebut perlu dilakukan studi kestabilan transient untuk mengetahui keandalan sistem kelistrikan PT. ketika terjadi gangguan transient. Pada tugas akhir ini difokuskan pada pemodelan skema load shedding dan generator shedding ketika terjadi gangguan hubung singkat, generator outage, inrush trafo dan motor starting sehingga sistem tetap stabil setelah terjadi gangguan. Software yang digunakan dalam analisis ketabilan transien ini yaitu ETAP 4. Hasil simulasi menunjukan bahwa saat kasus lepasnya pembangkit STG memerlukan adanya load shedding. Saat kasus hubung singkat di bus SG-6 memerlukan skema generator shedding. Selain itu kasus motor starting saat 4 generator ON dan inrush transformator baru 40 MVA masih diperbolehkan karena tidak memberikan efek yang signifikan pada respon tegangan dan frekuensi synchronizing bus 3.8 kv. Palembang berencana melakukan penambahan pembangkit STG dengan kapasitas 3 x 35 MW sebagai pengganti pada P2,P3, dan P4. Pada tahap awal PT Palembang akan membangun pembangkit STG x35 MW dan penambahan beban pabrik baru 4.627 MW menggunakan sistem synchronizing bus 33 kv. Dengan adanya penambahan pembangkit STG x 35 MW dan penambahan beban pabrik baru 4.627 MW membuat kestabilitan sistem tenaga listrik PT. Palembang terganggu. Sehingga perlu dilakukan studi stabilitas transient untuk mengetahui keandalan sistem saat terjadi gangguan. Pada tugas akhir ini difokuskan pada pemodelan skema load shedding dan generator shedding ketika terjadi gangguan hubung singkat, generator outage, inrush trafo dan motor starting sehingga sistem tetap stabil setelah terjadi gangguan. II. KESTABILAN TRANSIEN A. Kestabilan Sistem Tenaga Kestabilan sistem tenaga listrik merupakan kemampuan suatu sistem tenaga listrik untuk tetap dapat beroperasi setimbang saat dan setelah terjadi gangguan Berdasarkan Paper IEEE definition and classification of power system stability, kestabilan sistem tenaga listrik dibagi menjadi tiga kategori yaitu []: KESTABILAN SISTEM TENAGA I. PENDAHULUAN Kestabilan sistem tenaga listrik merupakan masalah penting dalam kelistrikan. Banyak masalah yang ditimbulkan karena ketidakstabilan sistem tenaga listrik. Sistem tenaga listrik dapat dikatakan stabil jika daya mekanik dan daya elektrik seimbang. Daya mekanik adalah daya yang dibangkitkan prime mover generator sedangkan besar daya elektrik sesuai dengan besar beban listrik. Setiap perubahan daya elektrik maka harus di ikuti dengan perubahan daya mekanik. Sehingga perubahan daya elektrik dan daya mekanik berbanding lurus. Jika daya mekanik tidak segera menyesuaikan daya elektrik dapat membuat frekuensi dan tegangan bergeser dari keadaan normal. PT. memliki pembangkit GTG 3 x 8. 350 MW dan GTG 2.8 MW dengan beban sekitar 34 MW. Keempat pembangkit tersebut terintegrasi pada synchronizing bus 3.8 kv. Seiring dengan perkembangan suplai gas, beban dan tingkat kebutuhan daya serta rencana pengembangan. PT. KESTABILAN SUDUT ROTOR KESTABILAN AKIBAT GANGGUAN KECIL JANGKA PENDEK KESTABILAN TRANSIENT KESTABILAN FREKUENSI JANGKA PENDEK JANGKA LAMA KESTABILAN TEGANGAN KESTABILAN TEGANGAN GANGGUAN BESAR JANGKA PENDEK Gambar Klasifikasi Kestabilan Sistem Tenaga KESTABILAN TEGANGAN GANGGUAN KECIL JANGKA LAMA. Kestabilan sudut rotor Kestabilan sudut rotor merupakan kemampuan dari mesin sinkron yang terhubung dengan sistem untuk tetap sinkron setelah terjadi gangguan. Ketidakstabilan akan mengakibatkan naiknya sudut rotor yang berbeda-beda
2 dari generator sehingga dapat mengakibatkan generator mengalami hilang sinkronisasi dengan generator lain [2]. 2. Kestabilan frekuensi [] Kestabilan frekuensi merupakan kemampuan dari sistem tenaga mempertahankan frekuensi untuk tetap stabil ketika terjadi gangguan dan setelah terjadi gangguan. Biasanya gangguan ini berupa perubahan pembangkit atau beban yang signifikan. 3. Kestabilan tegangan [] Kestabilan tegangan merupakan kemampuan dari sistem tenaga mempertahankan tegangan untuk tetap stabil pada semua bus setelah terjadi gangguan. Hal ini tergantung dari sistem untuk tetap mempertahankan keseimbangan antara suplai daya dan beban. B. Kestabilan Transien Kestabilan transien merupakan kemampuan dari sistem tenaga untuk mempertahankan sinkronisasi ketika mengalami gangguan transien. Gangguan transien ini berupa gangguan besar yang terjadi pada sistem seperti gangguan hubung singkat, motor starting,pelepasan beban serta penambahan beban secara tiba-tiba [2]. C. Standar yang Digunakan untuk Analisis Kestabilan Transien Dalam menentukan suatu sistem tenaga listrik stabil atau tidak yaitu dengan mengevaluasi respon tegangan dan frekuensi sistem. Standart yang dipakai untuk menentukan sistem stabil atau tidak yaitu : Standar Frekuensi : Untuk Steam Turbin Generator (IEEE Std C37.06-2003) [3] Gambar 2 Standart frekuensi Standart tegangan : standart IEEE 59-995. Magnitude 40 % 20 % 0 % 90 % 80 % Swell Sag Normal Operasi Overvoltage Undervoltage D. Pelepasan Beban Pelepasan beban merupakan salah satu langkah untuk mempertahankan kestabilan. Jika terjadi gangguan seperti generator outage mengakibatkan daya yang tersedia tidak mampu melayani beban, sehingga untuk menjaga sistem tidak black out maka diperlukan pelepasan beban.pelepasan beban dapat dilakukan dengan dua cara yaitu :. Pelepasan beban secara manual 2. Pelepasan beban secara otomatis III. SISTEM KELISTRIKAN PT. Sistem kelistrikan PT. yang baru dapat ditujukan pada gambar 4 dibawah ini : Outgoing for Load P- 4-2006 -J 3006-J 4006-J 5006-J STG- G 35 MW G G G G STG_ SG-6 Outgoing for Load P-2 B SYN BUS NEW 33 kv BUS_T - STG T- STG 40 MVA SYN BUS OLD SG-2 SG-3 SG-4 SG -5 P- 2 Load P- 3 Load P-4 Load P-BLoad 0.8 Ohm 0.8 Ohm 3.8 kv T- SYNBUS-OLD- NEW 40MVA Gambar 4. Single Iine diagram PT. Palembang Pada gambar 4. Menunjukkan single line diagram PT.. Saat ini PT. memliki pembangkit GTG 3 x 8. 350 MW dan GTG 2.8 MW dengan beban sekitar 34 MW. Seiring dengan perkembangan suplai gas, beban dan tingkat kebutuhan daya serta rencana pengembangan. PT. melakukan penambahan pembangkit STG x35 MW serta penambahan beban pabrik baru P2-B menggunakan sistem synchronizing bus 33 kv. PT. menghubung pabrik lama dan pabrik baru menggunakan trafo 40 MVA Total beban di PT. adalah 56,46. Terbagi menjadi 5 yaitu 2, 3, 4, B, dan Baru.. Beban pabrik terbagi menjadi 2 yaitu motor dan static. Beban motor total pabrik pusri adalah 48,2 MW dan total beban static adalah 8,26 MW. Untuk besarnya pembebanan pada masing-masing pabrik ditunjukkan pada tabel dibawah : Tabel. Pembebanan Pabrik Pusri LOAD Normal Operasi (MW).75 2 2 7.75 3 3 7.55 4 4 7.65 5 BARU 2.76 Total 56.46 Losses 0.24 0.8 Ohm 0.5 Ohm 0 % Instantaneus Momentary Temporary Interruption 0. 5 cycle 30 cycle 3 s min Time Gambar 3 Standart Tegangan IEEE 59-995
3 No ID Daya Mampu (MW) Normal Operasi (MW) Tabel 3. Kategori Studi Kasus Generator Case Generator Outage 2 4 2 4 23 24 5006-J 5.8 0 5 5 0 0 5 5 2 2006-J 2 7.8 2 0 2 0 2 0 0 3 3006-J 2 7.6 2 2 2 2 2 0 2 4 4006-J 2 7.7 2 2 2 2 2 2 2 5 STG- 35 2.8 24 24 0 24 0 24 0 Total 86 57 60 63 5 48 36 5 39 LOAD Normal Operasi (MW) Load Shedding (MW) - - S F S F S F S F S F,75,75,75,75,75 7.45 0,35 8,5 8,5,75,75 9.55 9,55 2 2 7,75 7,75 7,75 7,75 7,75 3.75 7,75 5,65 5,65 7,75 7,75 6.75 6,75 3 3 7,55 7,55 7,55 7,55 7,55 7.55 6,05 3,2 3,2 5,05 7,55 3.2 3,2 4 4 7,65 7,65 7,65 7,65 7,65 7.65 7,65 3,05 3,05 5,55 7,65 4.5 3,05 5 BARU 2,76 2,76 2,76 6,6 6,6 2.8 6,6 4,96 4,96 2,76 6,6 5 4,96 Total beban 56.46 56,46 56,46 50,86 50,86 48.2 47,96 35,0 35,0 5,86 50,86 38.6 37,5 Load Shedding - - 5,6 5,6 8,3 8,5 2,45 2,45 4,6 5,6 7.9 8,95 IV. SIMULASI DAN ANALISIS TRANSIEN A. Studi kasus simulasi stabilitas transien Dalam menganalisa kestabilan transien, dibagi beberapa kategori, seperti yang ditunjukkan pada tabel 2 dibawah ini: Tabel 2. Kategori Studi Kasus Kestabilan Transien No Kasus Deskripsi Generator mendiskripsikan efek dari generator outage dan Outage mekanisme load shedding 2 Transformator mendiskripsikan efek dari arus inrush Inrush transformator 3 Short circuit mendiskripsikan efek dari short circuit 3 fasa 4 Motor Starting mendiskripsikan efek dari starting motor B. Simulasi kasus generator outage Pada subbab ini akan ditampilkan case dan hasil simulasi untuk kasus generator outage ditunjukkan pada tabel 3 dan 4. B.. Studi kasus Gen Out LS Pada kasus ini disimulasikan lepasnya generator STG- dan dilanjutkan dengan mekanisme load shedding. Mekanisme load shedding yang menggunakan status dan berdasarkan pada standar ANSI/IEEE C37.06-987. 99,7% 97,89% 99,26% Gambar 4. Respon frekuensi sistem saat generator STG- lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding menggunkan Status. Case Tabel 4. Hasil Simulasi Generator Outage Frekuensi Tegangan Bus Min Steady Min Steady 90,85% 5006-J MCC#58 99,2% 99,4% 92,6 % 93,29% 2006-J MCC#28 99,5% 99,67% 93,4% 94,32% STG- 5006-J & 2006-J 5006-J & STG- 2006-J & 3006-J 2006-J & STG- STG_ 84,79% 87,02% MCC#58 94,04% 94,04% 89,55% 9,56% STG_ U-NB-203A- PIII STG_ 80,46% 84,44% 97,% 97,% 90,44% 9,48% 8,4% 85,8% Tabel 4 menunjukan tabel case dan load shedding. Load shedding S maksutnya adalah status dan load shedding F maksutnya adalah frekuensi. Dari hasil di atas dapat disimpulkan bahwa ada beberapa case tidak stabil dan harus dilakukan mekanisme pelepasan beban untuk mempertahankan kestabilan sistem. 87,02% Gambar 5. Respon tegangan sistem saat generator STG- lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding menggunkan Status. Pada gambar 4 dan 5. dapat dianalisis bahwa : a. Untuk gambar 4 merupakan hasil respon frekuensi sebelum dan sesudah Load Shedding. Terlihat bahwa dengan adanya load shedding membuat frekuensi sistem naik dari 97,89% menjadi 99,29%. Load shedding dilakukkan sebesar 5,6 MW. Sehingga dengan Load shedding membuat frekuensi menjadi memenuhi standart b. Untuk gambar 5 merupakan hasil respon tegangan sebelum dan sesudah Load shedding. Terlihat dengan adanya load shedding membuat tegangan masuk pada level standart
4 yang ada, yaitu sebelum load shedding 87,02 % dan setelah load shedding 90,85% 90,% 99,26% 98,82% Gambar 6. Respon frekuensi sistem saat generator STG- lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding menggunkan Frekuensi Gambar 7. Respon tegangan sistem saat generator STG- lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding menggunkan Frekuensi. Pada gambar 6 dan 7 dapat dianalisis bahwa : a. Untuk gambar 6 merupakan hasil respon frekuensi sebelum dan sesudah Load Shedding. Load Shedding dilakukan satu tahap. Load shedding tahap satu sebesar 0% beban total (5,6 MW). Load shedding tahap satu dilakukkan pada frekuensi 98,83 %. Dengan adanya load shedding membuat frekuensi sistem naik dari 97,89% menjadi 99,26%. Load shedding dilakukkan sebesar 5,6 MW. Sehingga dengan Load shedding membuat frekuensi menjadi memenuhi standart. b. Untuk gambar 7 merupakan hasil respon tegangan sebelum dan sesudah Load shedding. Terlihat dengan adanya load shedding membuat tegangan masuk pada level standart yang ada, yaitu sebelum load shedding 87,02 % dan setelah load shedding 90,85%. B.2. Studi kasus Gen Out 2 LS Pada kasus ini disimulasikan lepasnya generator 5006-J, STG- dan dilanjutkan dengan mekanisme load shedding. Mekanisme load shedding menggunakan status dan berdasarkan pada standar ANSI/IEEE C37.06-987. 98,88% 87,02% 97,89% 90,85% 99,323% 56,39% Gambar 8. Respon frekuensi sistem saat generator 5006-J dan STG- lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding menggunakan Status Gambar 9. Respon Tegangan sistem saat generator 5006-J dan STG- lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding menggunakan Status Pada gambar 8 dan 9 dapat dianalisis bahwa : a. Untuk gambar 8 merupakan hasil respon frekuensi sebelum dan sesudah Load Shedding. Terlihat bahwa dengan adanya load shedding membuat frekuensi sistem naik dari 56,39% menjadi 99,323%. Load shedding dilakukkan sebesar 2,45 MW. Sehingga dengan Load shedding membuat frekuensi menjadi memenuhi standart b. Untuk gambar 9 merupakan hasil respon tegangan sebelum dan sesudah Load shedding. Terlihat dengan adanya load shedding membuat tegangan masuk pada level standart yang ada, yaitu sebelum load shedding 84,44 % dan setelah load shedding 90,% 65,39% 84,44% 56,39% 99,323% 90,05% Gambar 0. Respon frekuensi sistem saat generator 5006-J dan STG- lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding menggunkan Frekuensi 88,99% 88,65% 90,% 84,44% Gambar. Respon tegangan sistem saat generator 5006-J dan STG- lepas dari sistem dan dilanjutkan dengan load shedding menggunkan Frekuensi. Pada gambar 0 dan dapat dianalisis bahwa : a. Untuk gambar 0 merupakan hasil respon frekuensi sebelum dan sesudah Load Shedding. Load Shedding dilakukan tiga tahap. Load shedding tahap satu sebesar 0% beban total (5,6 MW) pada frekuensi 98,83%. Load shedding tahap 2 sebesar 5% beban total (8,45 MW) pada frekuensi 98,6%. Dan load shedding tahap tiga sebesar 7,4 MW pada frekuensi 97,5%. b. Untuk gambar merupakan hasil respon tegangan sebelum dan sesudah Load shedding. Terlihat dengan adanya load shedding membuat tegangan masuk pada level
5 standart yang ada, yaitu sebelum load shedding 84,44 %, dengan load shedding tahap menjadi 88,65%, load shedding tahap 2 menjadi 88,99%, dan load shedding tahap 3 menjadi 90,%. C. Studi kasus Inrush Trafo Pada subbab ini akan ditampilkan hasil simulasi untuk kasus Inrush trafo.hasil simulasi dapat dilihat pada gambar 2 dan 3. No Case BUS Tabel 6. Hasil Studi Kasus Short Circuit Frekuensi Tegangan Min/ Max Steady Steady Max TO DIST PANEL NPK SWGR "5A" 00,2% 00,0% 83,72% 99,98% PLANT 2 MCC#38 SG-3 00,3% 00,% 66,03% 00,06% 3 SG-6 STG_ 22% 00% 28,85% 00% 00,27% Dari hasil di atas dapat disimpulkan bahwa ada beberapa case tidak stabil. Yaitu pada case short circuit di bus SG-6. Sehingga untuk mempertahankan kestabilan harus dilakukan mekanisme generator shedding. 00% 02,67% Gambar 2. Respon frekuensi sistem saat inrush trafo 40 MVA. 99,67% 99,94% Gambar 4. Respon frekuensi case SG-6 bus dengan diikuti generator shedding 68,92% Gambar 3. Respon tegangan sistem saat inrush trafo 40 MVA. Pada gambar 2 dan 3 dapat dianalisis bahwa : a. Untuk gambar 2 merupakan hasil respon frekuensi ketika Trafo NEW-OLD di energized. Respon frekuensi pada bus SYN BUS OLD mengalami kenaikan. Frekuensi naik sampai 00,27 % namun setelah hilangnya arus inrush T- SYN-BUS-OLD frekuensi system kembali stabil (00 %). Sehingga frekuesnsi bus masih dalam kategori aman. b. Untuk gambar menunjukan bahwa pada saat trafo SYN- BUS-NEW-OLD di energized respon tegangan pada bus SYN BUS OLD menurun secara drastis. SYN BUS OLD turun hingga 68,92 %. Namun setelah arus inrush hilang tegangan SYN BUS NEW dan OLD kembali stabil (99,94 %). Sehingga tegangan sistem masih dalam kategori aman. Menunrunnya tegangan secara drastis disebabkan karena ada arus sesaat yang besar melewati SYN-BUS-OLD D. Studi kasus Short Circuit Pada subbab ini akan ditampilkan case dan hasil simulasi untuk kasus short circuit pada tabel 5 dan 6. Tabel 5. Kategori Studi Kasus Short Circuit No ID kv Lokasi Setting Rele (s) TO DIST PANEL NPK PLANT 0.4 Pabrik 0.3 2 MCC#38 2.4 Pabrik 3 0.3 3 SG-6 3.8 Pabrik Baru 0.3 99,5% 95,96% Gambar 5. Respon tegangan case SG-6 bus dengan diikuti generator shedding Pada gambar 4 dan 5 dapat dianalisis bahwa : a. Gambar 4 menunjukkan respon frekuensi saat short circuit SG-6 diikuti generator shedding. Bahwa dengan adanya generator shedding membuat frekuensi bus STG_ tidak naik hingga 22%. Generator shedding mem membuat stabil dari frekuensi 22% menjadi 02,67%. Generator shedding menggunakan rele 8-O dengan setting 0% b. Gambar 5 menunjukkan bahwa dengan adanya generator shedding membuat tegangan stabil lebih. Bus STG_ stabil di tegangan 95,96% dan bus SYN BUS NEW 97,86%. E. Studi kasus Motor Starting Pada subbab ini akan ditampilkan case dan hasil simulasi untuk kasus Motor Starting.
6 ID kv Tabel 7. Kategori Studi Kasus Motor Starting Kapasitas (kw) Mtr-SG-6 3.8 2500 Tempat Pabrik baru (P2-B) 0-J 3.8 2200 Pabrik 3 Konfigurasi 2006-J, 3006-J, 4006- J, dan 5006-J on sedangkan STG- off 2006-J, 4006-J, 5006- J dan STG- on sedangkan 3006-J off Tabel 8. Hasil Studi Kasus Motor Starting Case Bus Frekuensi Tegangan Min Steady Min Steady Mtr- SG-6 SG-6 99,88% 99,89% 95,73% 95,95% 0-J 2200 99,89% 99,93% 97,3% 97,44 Dari hasil di atas dapat disimpulkan bahwa untuk kasus motor staring tidak perlu ada skema lagi. [5] Rakhmadian, Hilman., Analisis itas Transien dan Mekanisme Pelepasan Beban di PT. Pupuk Kalimantan Timur Pabrik 5 (PKT-5), 203 BIOGRAFI PENULIS Waskito Aji, dilahirkan di Sidoarjo, Jawa Timur pada 26 januari 99. Selama kuliah, penulis aktif sebagai asisten dan coordinator praktikum di Laboratorium Instrumentasi Pengukuran dan Identifikasi Sistem Tenaga. Penulis dapat dihubungi melaluiemail aji.waskito0@mhs.ee.its.ac.id. V. KESIMPULAN/RINGKASAN Untuk lepasnya pembangkit terjadi penurunan tegangan dan frekuensi paling besar ketika pembangkit STG lepas. Sedangkan untuk lepasnya 2 pembangkit terjadi penurunan tegangan dan frekuensi paling besar ketika lepasnya generator STG dan 5006-J. sehingga membutuhkan load shedding Load shedding meggunakan status lebih sedikit beban yang di shedding jika dibandingkan dengan load shedding menggunakan frekuensi. Load shedding status digunakan sebagai load shedding utama. Dari 3 kasus hubung singkat didapatkan bahwa kasus short circuit di bus SG-6 belum memenuhi standar sudut rotor dan terjadi over frekuensi. Pada kasus motor starting dan inrush trafo tidak perlu ada skema load shedding terlebih dahulu. Pemasangan rele 8-O pada bus STG- dengan setting 0% Pemasangan load shedding status dan frekuensi sesuai hasil studi DAFTAR PUSTAKA [] IEEE/CIGRE Joint Task Force on ity Terms and Definitions, Definition and Classification of Power System ity IEEE Transactions on Power system, vol. 9, no. 2, may 2004. [2] Kundur, P., Power System ity and Control, McGraw-Hill, Inc, 994. [3] IEEE, Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants, 987. IEEE Std C37.06-2003 (Revision of ANSI/IEEE C37.06-987). [4] Stevenson, W.D., Jr and Granger, J.J., Elements of Power System Analysis, 4th Edition. McGraw- Hill, Inc, 994