ANALISIS PENGOPERASIAN SPEED DROOP GOVERNOR SEBAGAI PENGATURAN FREKUENSI PADA SISTEM KELISTRIKAN PLTU GRESIK Oleh : Patriandari 2206 100 026 Dosen Pembimbing : Prof. Ir. Ontoseno Penangsang, M.Sc, PhD. Prof. Dr.Ir. Adi Soeprijanto, MT. 1 Presentasi Seminar Tugas Akhir (Genap 2010) Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS
PENDAHULUAN 2 Presentasi Seminar Tugas Akhir (Genap 2010) Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS
Latar Belakang 3 Sistem tenaga listrik harus mampu menyediakan tenaga listrik bagi para pelanggan dengan frekuensi yang konstan. Jika daya aktif yang dibangkitkan lebih kecil dari pemakaian beban, maka frekuensi turun lebih kecil dari 50 Hz. Pengaturan frekuensi dalam unit pembangkit tidak sepenuhnya menggunakan governor, namun menggunakan kontrol beban load limit, sehingga ketika terjadi perubahan frekuensi tidak cepat di respon oleh unit pembangkit.
Permasalahan 4 Bagaimana memodelkan sistem kelistrikan di PLTU Gresik ke dalam software Matlab 7.6 Simulink? Menganalisis karakteristik speed droop pada governor dan kontribusinya dalam mempertahankan frekuensi dengan nilai refrensi 50 Hz.
Batasan Masalah 5 1. Mode pengoperasian load limit yang membatasi kerja dari governor PLTU Gresik. 2. Desain dan simulasi governor PLTU Gresik menggunakan Matlab Simulink 7.6
Tujuan 6 Mempelajari prinsip kerja governor dan karakteristik speed droop governor terutama dalam masalah yang berkaitan dengan pengaturan frekuensi sistem pada unit pembangkit di PLTU Gresik unit 1/2 dan unit 3/4. Memodelkan mode pengoperasian speed droop governor pada unit pembangkit di PLTU Gresik unit 1/2 dan unit 3/4 sehingga dapat diberikan solusi untuk sistem tenaga listrik yang mampu menyediakan tenaga listrik bagi para pelanggan dengan frekuensi konstan.
TEORI PENUNJANG 7 Presentasi Seminar Tugas Akhir (Genap 2010) Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS
Pengaturan Frekuensi dan Daya Aktif 8 1. Pada sistem tenaga listrik frekuensi merupakan parameter yang amat penting, karena frekuensi sistem merupakan salah satu ukuran kestabilan suatu sistem, sehingga frekuensi ini harus dijaga dalam batas yang diperbolehkan. 2. Dalam sistem tenaga listrik, pengaturan frekuensi dilakukan dengan melakukan pengaturan daya aktif pada mesin. Penyediaan daya aktif harus disesuaikan dengan kebutuhan daya aktif beban, penyesuaian ini dilakukan dengan mengatur kopel penggerak generator sehingga tidak ada pemborosan penggunaan daya. Nilai frekwensi : F 2 p 2 P = Jumlah kutub Generator
Pengaturan Frekuensi dan Daya Aktif 9 Frekuensi sistem : Menunjukkan keseimbangan sesaat antara daya nyata (MW) pembangkitan dengan daya nyata (MW) dikonsumsi beban Analogi Hubungan Beban dengan Frekuensi Bernilai nominal (= 50 Hz) pada saat daya nyata pembangkitan sama dengan daya nyata konsumsi beban ΔP G = ΔP D
Pengaturan Frekuensi dan Daya Aktif 10 Hz 51,50 50,20 50,00 49,80 49,50 49,00 Operasi normal, frekuensi 50 + 0,2 Hz Ekskursi, + 0,5 Hz, brown-out Df/dt, - 0,6 Hz/s, Load shedding tahap 5, 6, 7 (1181 MW) Df/dt, - 0,8 Hz/s, Load shedding tahap 5, 6, 7 + 394 MW Load shedding Skema A & B, frek 49,50 Hz ( 394 MW - 788 MW) Df/dt, - 1,0 Hz/s, Load shedding tahap 5, 6, 7 + 788 MW Load shedding tahap 1 s.d. 7, frek 49,00 s.d. 48,40 (2756 MW) 48,40 48,30 48,00 47,50 Islanding Operation, mulai 48,30-48,00 Hz Host load unit-unit pembangkit Gambar di atas merupakan Tongkat Frekuensi (Stick of frequency). Tongkat frekuensi digunakan sebagai acuan batas toleransi perubahan frekuensi yang terjadi pada sistem kelistrikan PLN
Pengaturan Frekuensi dan Daya Aktif 11 Diagram vektor dua buah generator sinkron yang bekerja paralel Dapat dilihat pada Gambar di samping, jika kopel penggerak generator diperbesar maka rotor (kutub) generator akan bergerak maju dalam arti vektor bergerak memperbesar komponen daya aktif (watt) dari generator seperti yang ditunjukkan oleh vektor, E 2 dan I 2. Kemudian daya generator berubah dari MW 2 menjadi MW 2. Penambahan kopel pemutar generator memerlukan tambahan bahan bakar pada unit pembangkit thermal.
Pengaturan Frekuensi dan Daya Aktif 12 Menurut Hukum Newton ada hubungan antara kopel mekanik penggerak generator dengan perputaran generator : (T G -T B ) = H x t Frekuensi akan turun jika daya aktif yang dibangkitkan tidak mencukupi kebutuhan beban dan sebaliknya frekuensi akan naik jika kelebihan daya aktif dalam sistem. Secara mekanis apabila : (T G -T B ) = ΔT < 0 maka < 0, sehingga frekuensi turun (T G -T B ) = ΔT > 0 maka > 0, sehingga frekuensi naik Dari persamaan di atas, secara tidak langsung penyediaan daya aktif dapat pula mempengaruhi frekuensi sistem.
13 Prinsip Kerja Governor
14 Prinsip Kerja Governor
Prinsip Kerja Governor 15 Setelah ada penambahan beban, frekuensi menurun dan governor beraksi untuk mengembalikan frekuensi ke nilai 50 Hz. Dalam proses mengembalikan nilai frekuensi ke nilai 50 Hz ternyata apabila telah tercapai nilai 50 Hz nilai ΔT 0 sehingga nilai 50 Hz akan berubah lagi. Jika nilai ΔT = 0, hal ini terjadi saat frekueni F F 0. Dari uraian 1 dan 2 di atas ternyata governor tidak bisa mencapai nilai F 0 kembali secara stabil melainkan akan berosilasi di sekitar nilai F 0.
Speed Droop Governor 16 uap katup Turbin dengan reheat Governor T m T e P m Speed Droop G Generator P e Load (P L ) Berdasarkan gambar diatas, governor menerima umpan balik negative berupa kecepatan output dari turbin. Kemudian turbin memberikan respon dengan merubah posisi dari katup untuk memberikan input uap pada turbin uap, sehingga kecepatan turbin dapat dikendalikan. Speed Droop adalah bilangan prosentase yang menyatakan kepekaan turbin merespon perubahan frekuensi. Semakin kecil nilai prosentase speed droop, maka semakin peka terhadap perubahan frekuensi.
Speed Droop Governor 17 Speed Droop (R) = R1 R2 R 100% Dimana : R = putaran nominal R1 = putaran tanpa beban R2 = putaran beban penuh
PEMODELAN SISTEM KELISTRIKAN PLTU GRESIK 18 Presentasi Seminar Tugas Akhir (Genap 2010) Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS
Pemodelan Matematika Sistem Pembangkit Listrik pada PLTU unit 1/2 19 Blok Diagram Sistem Pembangkit Listrik dengan Non-Reheat Steam Turbine (T RH = 0)
Pemodelan Matematika Sistem Pembangkit Listrik pada PLTU 3/4 20 Blok Diagram Sistem Pembangkit Listrik dengan Reheat Steam Turbine
Pemodelan Matematika Sistem Pembangkit Listrik pada PLTU 21 Keterangan gambar : R K G T G K T F HP T CH T RH H D = konstanta pengaruh kerja governor terhadap frekuensi (speed droop) = gain statis dari mekanisme speed governing = time-constant dari mekanisme speed governing = gain sistem pembangkit listik = koefisiensi pemanas ulang (reheater) = time-constant turbin Low Pressure (tekanan rendah) = time-constant turbin High Pressure (tekanan tinggi) = konstanta inersia (MWs/MVA) = konstanta load-damping f, artinya perubahan kecepatan sudut putaran turbin sebanding dengan perubahan frekuensi. Di lapangan frekuensi sebesar 50 Hz sebanding dengan kecepatan putaran 3.000 rpm.
Pengoperasian Governor dan Speed Droop PLTU Gresik 22 Jenis governor dalam sistem tenaga listrik dibagi menjadi dua, yaitu : Jenis mechanical hydrolic control (MHC) Jenis electric hydrolic control (EHC) Pada PLTU Gresik, baik unit 1/2 dan unit 3/4, pengaturan frekuensinya menggunakan load limit. PLTU unit 1/2 menggunakan load limit sebesar 100% dan speed droop sebesar 5 % PLTU unit 3/4 memiliki speed droop 5 % dan load limit diatur pada nilai 10 % diatas governor.
Pengoperasian Governor dan Speed Droop PLTU Gresik 23 PLTU 1/2 dengan kapasitas terpasang 2x100 MW, kemampuan untuk merespon frekuensi adalah : Speed droop 5 % = 0.05 50Hz 2. 5Hz Speed droop dihitung pada beban nominal 100 MW. Pada PLTU unit 3/4 dengan kapasitas terpasang 2x200 MW parameter nilai speed droop diatur 5 % Speed droop 5 % = 0.05 50Hz 2. 5Hz Speed droop dihitung pada beban nominal 200 MW.
Pengoperasian Governor dan Speed Droop PLTU Gresik 24 Load Limit adalah kontrol beban unit yang menghendaki beban konstan (bersifat pasif), tidak dipengaruhi oleh perubahan frequency namun bila terjadi perubahan frekuensi naik yang cukup besar maka governor akan mengambil alih fungsi kontrol menurunkan beban sebanding dengan perubahan frekuensi.
Pemodelan Sistem Governor pada PLTU menggunakan Matlab Simulink 7.6 25 Pemodelan governor PLTU unit 1dan 2
Pemodelan Sistem Governor pada PLTU menggunakan Matlab Simulink 7.6 26 Pemodelan governor PLTU unit 3 dan 4
SIMULASI DAN ANALISIS 27 Presentasi Seminar Tugas Akhir (Genap 2010) Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS
Simulasi Sistem Awal Governor PLTU Gresik 28 Kondisi awal governor, baik PLTU 1 dan 2 juga PLTU 3 dan 4 pada pengaturan frekuensinya menggunakan Load Limit. Data yang telah didapatkan dari lapangan untuk melakukan simulasi dan perhitungan adalah sebagai berikut : PLTU unit 1 dan 2 MVA rated MVAR rated Tegangan PLTU unit 3 dan 4 MVA rated MVAR rated Tegangan : 125 MVA : 20 MVAR : 13.2 KV : 250 MVA : 150 MVA : 15 KV
Simulasi Sistem Awal Governor PLTU Gresik 29 Parameter PLTU 1/2 dan unit 3/4 Gresik Tabel 4.1 Parameter PLTU 1/2 dan unit 3/4 Gresik Parameter Nilai T G1, T G2, T G3, T G4 0.09 T RH1, T RH2 0 T RH3, T RH4 7 T CH1, T CH2, T CH3, T CH4 0.3 F HP1, F HP2, F HP3, F HP4 0.3 M 1, M 2, M 3, M 4 10 R 1, R 2, R 3, R 4 5 Beban sistem 0.05 pu
Simulasi Sistem Awal Governor PLTU Gresik 30 Pemodelan Governor menggunakan MATLAB Simulink 7.6
Simulasi Sistem Awal Governor PLTU Gresik 31 Simulasi Load Limit PLTU unit 1 dan 2
Simulasi Sistem Awal Governor PLTU Gresik 32 Jika load limit diatur 100 % diatas governor, maka pengambil alihan fungsi kontrol ini akan lebih lambat. Pada saat inilah governor bekerja untuk mengatur perubahan frekuensi. Di PLTU unit 1/2 menggunakan load limit 100% dapat kembali ke nilai frekuensi nominal, 50 Hz, jika ada penambahan suplai daya output sebesar 40 MW
Simulasi Sistem Awal Governor PLTU Gresik 33 Simulasi Load Limit PLTU unit 3 dan 4
Simulasi Sistem Awal Governor PLTU Gresik 34 Batasan antara load limit dengan governor untuk PLTU unit 3 dan 4 ini adalah 10 %, setara dengan 20 MW. Kontrol ini digunakan dengan maksud agar ketika unit beroperasi dengan governor, kenaikan suplai akibat penurunan frekuensi yang cukup besar tidak boleh melebihi 20 MW. Karena kenaikan suplai lebih dari 20 MW akan sulit diikuti oleh boiler.
Simulasi Sistem Awal Governor PLTU Gresik 35 Hasil simulasi respon frekuensi PLTU 1/2 dan 3/4
Simulasi Sistem Awal Governor PLTU Gresik 36 Berdasarkan hasil simulasi PLTU 1/2 dengan jenis turbin nonreheat lebih cepat merespon perubahan frekuensi akibat kenaikan beban sebesar 0.05 pu, dibandingkan dengan PLTU unit 3/4. Lebih detailnya respon frekuensi dari masing-masing PLTU ditunjukkan pada Tabel 4.2 sebagai berikut : Unit Pembangkit Overshoot (p.u) Time Settling (detik) PLTU 1-0.002558 7.03 PLTU 2-0.002558 7.21 PLTU 3-0.00452 13.05 PLTU 4-0.00452 13.45
Simulasi Speed Droop (R) Governor Simulasi 2 % < R < 12 % PLTU unit 1/2 menggunakan Matlab Simulink 7.6 37
Simulasi Speed Droop (R) Governor Simulasi 2 % < R < 12 % PLTU unit 3/4 menggunakan Matlab Simulink 7.6 38
Simulasi Speed Droop (R) Governor 39 Hasil imulasi 2 % R 12 % PLTU unit 1/2 menggunakan Matlab Simulink 7.6
Simulasi Speed Droop (R) Governor 40 Hasil imulasi 2 % R 12 % PLTU unit 3/4 menggunakan Matlab Simulink 7.6
Simulasi Speed Droop (R) Governor 41 Governor dengan nilai R = 2 % lebih cepat merespon perubahan beban dan penurunan frekuensi tidak terlalu besar nilainya dibandingkan dengan governor dengan nilai R = 12 %. unit yang memiliki speed droop lebih kecil mendapat tambahan beban (suplai) yang lebih besar daripada unit dengan speed droop prosentase nilai yang lebih besar. Respon frekuensi turbin non-reheater lebih baik daripada turbin reheater. Hal ini disebabkan karena pada turbin reheater diperlukan waktu tunda / delay time untuk memanaskan kembali uap yang dihasilkan oleh boiler, agar panas uap yang masih dapat dipakai tidak dibuang.
Simulasi Speed Droop (R) Governor 42 Simulasi respon frekuensi Turbin Non-Reheater dan Turbin Reheater
43 Simulasi Respon Frekuensi dengan Mengaktifkan Free Governor dan Nilai Speed Droop diperkecil Pengaturan frekuensi di PLTU Gresik menggunakan load limit atau dengan kata lain governor free tidak diaktifkan. Penurunan beban atau kenaikan beban diatur secara manual oleh operator unit pembangkit, sehingga governor tidak ikut aktif dalam memberikan kontribusinya terhadap perubahan frekuensi sistem ( yang digunakan adalah generator bus ).
Simulasi Respon Frekuensi dengan Governor Control 44 Tabel 4.3 Parameter PLTU 1/2 dan unit 3/4 Gresik Parameter Nilai T G1, T G2, T G3, T G4 0.09 T RH1, T RH2 0 T RH3, T RH4 7 T CH1, T CH2, T CH3, T CH4 0.3 F HP1, F HP2, F HP3, F HP4 0.3 M 1, M 2, M 3, M 4 10 R 1, R 2 3 R 3, R 4 4 D 1, D 2, D 3, D 4 3.4 Beban sistem 0.05
Simulasi Respon Frekuensi dengan Governor Control 45
Simulasi Respon Frekuensi dengan Governor Control 46 Hasil simulasi respon frekuensi PLTU unit 1/2 dan unit 3/4 dengan governor control
Simulasi Respon Frekuensi dengan Governor Control 47 Hasil respon yang ditampilkan dapat kembali ke nilai nominal 50 Hz karena tidak menggunakan load limit dan dipasang kontroler agar respon governor dapat mengikuti perubahan frekuensi. Semakin kecil nilai load limit, maka kemampuan boiler untuk memenuhi kebutuhan steam flow semakin baik. Jika load limit tak mampu mengembalikan frekuensi ke nilai nominal 50 Hz, maka akan diambil alih oleh governor. Tabel 4.4 Hasil respon PLTU 1/2 dan unit 3/4 Gresik menggunakan governor control Unit Pembangkit Overshoot (p.u) Time Settling (detik) PLTU 1-0.00116 8 PLTU 2-0.00116 8 PLTU 3-0.00296 13 PLTU 4-0.00296 13
KESIMPULAN 48 Presentasi Seminar Tugas Akhir (Genap 2010) Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS
Kesimpulan 49 1. Mode pengaturan frekuensi di PLTU Gresik unit 1/2 dan unit 3/4 menggunakan load limit,yang artinya bahwa governor free tidak diaktifkan. 2. Dari hasil analisis, apabila free governor diaktifkan, maka kerja dari governor dalam pengaturan frekuensi semakin baik. Respon frekuensi menggunakanspeed droop yang nilai prosentasenya lebih kecil maka hasil respon frekuensi lebih baik. 3. Perlu diadakan kalibrasi atau tuning (peremajaan) peralatan kontrol unit PLTU Gresik, agar governor lebih cepat merespon perubahan frekuensi sehingga didapat nilai frekuensi yang konstan.
Kesimpulan 50 Tabel 4.2 Respon frekuensi PLTU 1/2 dan 3/4 Gresik tanpa menggunakan free governor Unit Pembangkit Overshoot (p.u) PLTU 1-0.002558 7.03 PLTU 2-0.002558 7.21 PLTU 3-0.00452 13.05 PLTU 4-0.00452 13.45 Time Settling (detik) Tabel 4.4 Respon frekuensi PLTU 1/2 dan 3/4 Gresik menggunakan free governor Unit Pembangkit Overshoot (p.u) Time Settling (detik) PLTU 1-0.00116 8 PLTU 2-0.00116 8 PLTU 3-0.00296 13 PLTU 4-0.00296 13
TERIMA KASIH 51 Presentasi Seminar Tugas Akhir (Genap 2010) Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS