2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sistem Distribusi Listrik Bagian dari sistem tenaga listrik yang paling dekat dengan pelanggan adalah sistem distribusi. Sistem distribusi juga merupakan bagian yang paling banyak mengalami gangguan sehingga konsentrasi atau fokus utama dalam operasi sistem tenaga listrik pada sistem distribusi adalah mengatasi gangguan [2]. One-Line Diagram suatu sistem distribusi dapat ditunjukkan pada Gambar 2.1. Jaringan Tegangan Menengah (JTM) Circuit Breaker Sekering T.M. Trafo Distribusi Sakelar T.R. Rel T.R. Sekering T.R. Pelanggan Gambar 2. 1 Sistem Distribusi Tenaga Listrik Baik Jaringan Tegangan Menengah (JTM) maupun Jaringan Tegangan Rendah (JTR) pada umumnya beroperasi secara radial yang disebut dengan jaringan radial. Dinamakan jaringan radial karena daya pada saluran ini diambil secara radial dari suatu sumber jaringan kemudian dibagi dalam bentuk cabang ke setiap titik beban seperti digambarkan pada Gambar 2.2. 5
Circuit Breaker Penyulang Utama Penyulang Sublateral Penyulang Lateral Beban Penyulang Sekunder Gambar 2. 2 Jaringan Distribusi Radial Jaringan distribusi radial ini mempunyai beberapa kelebihan dan kerugian. Kelebihan yang dimiliki oleh jaringan radial ini diantaranya adalah sebagai berikut : Memiliki konfigurasi yang sederhana. Biaya investasi yang relatif lebih murah dibandingkan dengan konfigurasi jaringan lain. Sedangkan kerugian yang disebabkan oleh penggunaan jaringan distribusi tipe radial ini adalah sebagai berikut : Jatuh tegangan yang terdapat pada jaringan dan rugi daya relatif besar. Keandalan pelayanan menjadi berkurang dikarenakan hanya terdapat satu saluran sehingga jika terjadi gangguan sistem akan mengalami pemadaman secara total. 6
2.2 Distributed Generation (DG) Distributed Generation (DG) adalah sebuah pembangkit yang terletak di daerah sistem distribusi ataupun pada daerah dekat beban [3]. Berbeda dengan pembangkit biasa yang secara umum dihubungkan ke saluran transmisi dan letak pembangkit yang sangat jauh dari beban, Distributed Generation (DG) tidak terhubung ke saluran transmisi dan hanya terhubung ke saluran distribusi bahkan pembangkit dapat berada di beban itu sendiri. Distributed Generation (DG) memiliki rating berdasarkan definisi yang diperoleh berdasarkan literatur. Rating maksimum yang dapat dikoneksikan pada sebuah sistem distribusi tergantung pada kapasitas dari sistem distribusi tersebut. Meskipun tidak ada ketentuan yang pasti untuk menentukan klasifikasi tingkat dari Distributed Generation (DG), namun berdasarkan besar daya yang dihasilkan, dapat disimpulkan bahwa klasifikasi Distributed Generation (DG) dibagi atas [3] : Micro : < 5 kw Small : 5 kw sampai dengan < 5 MW Medium : 5 MW sampai dengan 50 MW Large : 50 MW sampai dengan ~ 300 MW Struktur sistem kelistrikan konvensional dan sistem kelistrikan dengan Distributed Generation (DG) ditunjukkan pada Gambar 2.3. Kehadiran DG berdampak pada sistem distribusi. Penambahan pembangkit lokal dapat merubah arah aliran daya secara mendasar dan membuat aliran daya tersebut tidak searah lagi. 7
(a) Sistem Kelistrikan Konvensional (b) Sistem Kelistrikan Dengan Distributed Generation (DG) Gambar 2.3 Struktur Sistem Kelistrikan Konvensional dan Sistem Kelistrikan Dengan DG 8
Interkoneksi Distributed Generation (DG) kedalam jaringan distribusi diharapkan dapat meningkatkan kemampuan transfer daya maksimum pada sistem distribusi. Kemungkinan gangguan yang terjadi pada suatu sistem tenaga listrik dapat mempengaruhi ketahanan kondisi operasi sistem sehingga terjadi pemadaman total pada sistem distribusi. DG yang terhubung ke sistem distribusi kemungkinan dapat mempertahankan kondisi operasi sistem sehingga dapat mencegah adanya pemadaman secara keseluruhan [4]. 2.3 Stabilitas Sistem Tenaga Listrik Stabilitas sistem tenaga listrik adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk kembali stabil ke kondisi awal tertentu, setelah mengalami suatu gangguan. Integritas sistem harus dipertahankan tetap utuh tanpa adanya pemutusan generator atau beban. Pemutusan generator atau beban dilakukan untuk mempertahankan keadaan operasi sistem dan untuk mengisolasi peralatan yang terkena gangguan. Sistem tenaga listrik merupakan sistem yang beroperasi dengan perubahan beban, keluaran generator, dan parameter operasi lain yang berubah secara kontinu. Ketika suatu sistem mengalami gangguan transient, kestabilan sistem bergantung pada jenis gangguan dan juga keadaan operasi dimulai. Gangguan mungkin kecil atau besar, gangguan kecil dalam bentuk perubahan beban yang terjadi terus menerus, dan sistem akan menyesuaikan terhadap perubahan beban tersebut. Suatu sistem harus mampu beroperasi dengan baik dalam keadaan beban berubah-ubah sesuai dengan permintaan beban. Suatu sistem juga harus mampu bertahan terhadap gangguan besar seperti hubung singkat pada jaringan transmisi dan lepasnya generator. Pada sistem tenaga listrik yang stabil ketika mengalami gangguan transien akan mencapai keadaan stabil dengan seluruh sistem tetap utuh dan sistem kembali ke keadaan normal melalui tindakan dari pengendali otomatis dan operator. Sebaliknya, pada sistem yang tidak stabil hal tersebut akan menyebabkan kondisi lepas kendali seperti penurunan secara progresif pada 9
tegangan bus. Kondisi sistem yang tidak stabil dapat menimbulkan pemadaman dalam porsi yang besar pada sistem tenaga listrik [5]. Analisis kestabilan biasanya digolongkan kedalam tiga jenis, tergantung pada sifat dan besarnya gangguan yaitu [6] : a) Kestabilan keadaan tetap Kestabilan keadaan tetap adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk menerima gangguan kecil yang terjadi disekitar titik keseimbangan pada kondisi tetap. Kestabilan ini tergantung pada karakteristik komponen yang terdapat pada sistem tenaga listrik antara lain: pembangkit, beban, jaringan transmisi, dan kontrol sistem itu sendiri. Model pembangkit yang digunakan adalah pembangkit yang sederhana (sumber tegangan konstan) karena hanya menyangkut gangguan kecil disekitar titik keseimbangan. b) Kestabilan dinamis Kestabilan dinamis adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk kembali ke titik keseimbangan setelah timbul gangguan yang relatif kecil secara tiba-tiba dalam waktu yang lama. Analisa kestabilitan dinamis lebih komplek karena juga memasukkan komponen kontrol otomatis dalam pengoperasiannya. c) Kestabilan peralihan Kestabilitan peralihan adalah kemampuan sistem untuk mencapai titik keseimbangan/ sinkronisasi setelah mengalami gangguan yang besar sehingga sistem kehilangan stabilitas karena gangguan terjadi diatas kemampuan sistem. Analisis kestabilan peralihan merupakan analisis yang utama untuk menelaah perilaku sistem daya misalnya gangguan yang berupa : Perubahan beban yang mendadak karena terputusnya unit pembangkit. Perubahan pada jaringan transmisi misalnya gangguan hubung singkat atau pemutusan saklar (switching). 10
2.4 Klasifikasi Stabilitas Sistem Tenaga Listrik Stabilitas sistem tenaga adalah suatu masalah, namun tidak praktis untuk menangani hal tersebut. Kestidakstabilan dari sistem dapat terjadi dalam berbagai bentuk dan dipengaruhi oleh berbagai faktor. Analisis dari berbagai stabilitas, termasuk mengidentifikasi faktor penting yang berkontribusi terhadap ketidakstabilan dan merancang metode untuk meningkatkan operasi yang stabil. Gambar 2.4 berikut menjelaskan klasifikasi stabilitas sistem tenaga dalam berbagai kategori dan sub kategori yang mungkin terjadi dalam sistem [7]. Stabilitas Sistem Tenaga Stabilitas Sudut Rotor Stabilitas Frekuensi Stabilitas Tegangan Stabilitas Signal Kecil Stabilitas Peralihan Stabilitas Gangguan Besar Stabilitas Gangguan Kecil Stabilitas Jangka Pendek Stabilitas Jangka Pendek Stabilitas Jangka Panjang Stabilitas Jangka Pendek Stabilitas Jangka Panjang Gambar 2.4 Klasifikasi Stabilitas Sistem Tenaga Stabilitas sudut rotor mengacu pada kemampuan mesin sinkron dari sistem tenaga untuk tetap saling berhubungan (sinkron) setelah mengalami gangguan. Ketidakstabilan yang merupakan akibat terjadinya peningkatan ayunan sudut beberapa generator, menyebabkan kehilangan sinkron dengan generator lainnya. Stabilitas frekuensi mengacu pada kemampuan sistem tenaga untuk mempertahankan frekuensi stabil karena gangguan pada sistem yang menghasilkan ketidakseimbangan antara generator dan beban. Ketidakstabilan dapat mengakibatkan terjadi ayunan frekuensi berkelanjutan, menyebabkan trip unit pembangkit atau beban. 11
Stabilitas tegangan mengacu pada kemampuan sistem tenaga untuk mempertahankan tegangan stabil pada semua bus dalam sistem setelah mengalami gangguan mulai saat dioperasikan. Ketidakstabilan dapat terjadi akibat jatuh atau kenaikan tegangan dari beberapa bus. 2.5 Stabilitas Sudut Rotor Stabilitas sudut rotor merupakan kemampuan mesin sinkron yang terinterkoneksi dalam sebuah sistem tenaga listrik untuk tetap berada dalam keadaan sinkron dibawah kondisi operasi setelah mengalami gangguan. Hal ini bergantung pada kemampuan untuk mempertahankan atau mengembalikan kesetimbangan antara momen putar elektromagnetik dan mekanik masing-masing mesin sinkron pada sistem. Ketidakstabilan dapat menyebabkan terjadinya kenaikan sudut ayunan beberapa generator menuju kehilangan sinkronisasinya dengan generator lain [7]. Pengaruh dari kemampuan mesin sinkron yang terinterkoneksi pada stabilitas transien dapat terlihat pada Gambar 2.5, yaitu [1] : Penyimpangan maksimum kecepatan rotor yang terjadi setelah generator diberi gangguan. Lamanya osilasi yaitu interval waktu antara sebelum dan sesudah gangguan terjadi. Gambar 2.5 Grafik osilasi stabilitas kecepatan rotor 12
Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu mesin sinkron didasarkan pada prinsip dasar dinamika yang menyatakan bahwa momen-putar percepatan adalah hasil kali dari momen-kelambanan (moment of inertia) rotor dan percepatan sudutnya, momen-putar mekanis Tm dan momen elektris Te dianggap positif untuk generator sinkron. Ini berarti bahwa Tm adalah resultan momen putar poros yang mempunyai kecenderungan untuk mempercepat rotor dalam arah perputaran θm yang positif. Model dinamis dari generator sinkron dimana rotor diputar oleh penggerak mula terlihat pada Gambar 2.6. Gambar 2.6 Model dinamis generator Momen pada rotor generator (T) adalah sama dengan perkalian momen inersia (J) dengan percepatan sudut (α), yaitu [8] : T = Jα...(2.1) T = J d² (θ)...(2.2) Dalam keadaan transient (gangguan), akan terjadi percepatan pada rotor sehingga terjadi perbedaan antara momen mekanis (Tm) dengan momen elektromagnetik (Te) yaitu : T = Ta = Tm Te...(2.3) Dalam keadaan kondisi stabil (normal) momen percepatan (Ta) = 0. Dalam keadaan ini tidak ada percepatan atau perlambatan yang terjadi terhadap massa rotor dan kecepatan tetap resultan merupakan kecepatan sinkron, maka momen input dan momen output sama besar, yaitu : Tm = Te...(2.4) Dengan substitusi Persamaan (2.3) ke (2.2), diperoleh : 13
J d² (θ) = Ta = Tm Te...(2.5) Jika perpindahan sudut rotor adalah θm, maka Persamaan (2.5) dapat ditulis, J d² (θm) = Ta = Tm Te...(2.6) Dan perpindahan sudut rotor setiap waktu adalah, θm = ωs t + δ...(2.7) Dimana : ωs = Kecepatan sinkron dari rotor generator (rad/det) δ = Sudut torsi atau posisi sumbu rotor terhadap sumbu medan stator dalam kondisi normal Kemudian Persamaan (2.7) dideferensialkan terhadap waktu dua kali berturut turut, diperoleh : Dan d dt (θm) = ωs + d dt d² (θm) = d² (δ)...(2.8) (δ)...(2.9) Kemudian substitusikan Persamaan (2.9) ke Persamaan (2.5), diperoleh : J d² (δ) = Ta = Tm Te...(2.10) Kalikan Persamaan (2.10) ini dengan kecepatan sudut rotor (ωm), maka diperoleh : atau Dimana : Jωm M d² d² (δ) = Taωm = Tmωm Teωm...(2.11) (δ) = Pa = Pm Pe...(2.12) M = Momentum sudut dari rotor Pa = Daya percepatan dari rotor generator (MW) Pm = Daya input mekanis dari rotor generator (MW) Pe = Daya output listrik dari rotor generator (MW) Persamaan (2.12) diatas adalah model dinamis dari generator atau disebut juga dengan persamaan ayunan dari generator. Pada persamaan ayunan itu daya mekanis dari penggerak mula Pm akan dianggap konstan. Hal ini membuat 14
keluaran daya listrik Pe akan menentukan apakah rotor akan mengalami percepatan, perlambatan, atau tetap pada kecepatan sinkron. Bila Pe sama dengan Pm dikatakan mesin bekerja pada kecepatan sinkron keadaan tetap. Bila Pe berubah dari nilai rotornya dikatakan menyimpang dari kecepatan sinkron. Perubahan pada Pe ditentukan oleh keadaan pada jala-jala transmisi dan distribusi listrik serta beban pada sistem ke mana generator itu mencatu daya. Gangguan jaringan listrik yang disebabkan oleh perubahan yang hebat, atau oleh bekerjanya pemutus rangkaian, dapat menyebabkan keluaran generator Pe berubah dengan cepat sehingga menimbulkan peralihan (transient) elektromekanis [9]. 2.6 Stabilitas Frekuensi Stabilitas frekuensi merupakan kemampuan sebuah sistem tenaga listrik untuk mempertahankan frekuensi dengan kisaran nominal mengikuti gangguan sistem yang menghasilkan ketidakseimbangan yang signifikan antara pembangkitan dan beban. Hal ini bergantung pada kemampuan untuk mengembalikan keseimbangan antara sistem beban dan pembangkitan dengan meminimalisasi pelepasan/kehilangan beban. Ketidakstabilan frekuensi dapat dicegah berdasarkan karakteristik dari proses peralatan pengaman yang aktif dalam beberapa detik seperti respon underfrekuensi pelepasan beban dan kontrol dari generator yang bisa terjadi dalam puluhan detik sesuai respon dari penggerak utama. Oleh karena itu, seperti yang diklasifikasikan pada Gambar 2.4, stabilitas frekuensi mungkin menjadi fenomena jangka pendek atau fenomena jangka panjang. Contoh ketidakstabilan frekuensi jangka pendek adalah gangguan pada suatu system yang cukup dengan underfrequency pelepasan beban dalam beberapa detik sehingga frekuensi kembali normal walaupun terjadi pemadaman sebagian sistem. Di sisi lain, situasi fenomena jangka panjang di mana ketidakstabilan frekuensi disebabkan oleh kontrol turbin yang mengalami overspeed sehingga kontrol dapat dinormalkan selama waktu puluhan detik hingga beberapa menit [5]. Karakteristik putaran generator dapat mempengaruhi frekuensi suatu sistem. Perputaran generator dapat diatur dengan pengaturan kopel pemutar. 15
Hubungan antara Kopel mekanis penggerak generator dengan perputaran generator ditunjukkan berdasarkan persamaan ayunan dari generator. Jika frekuensi yang dihasilkan generator adalah : f = w 2π...(2.13) Hal ini berarti bahwa pengaturan frekuensi dalam sistem berarti pula pengaturan kopel penggerak generator atau juga pengaturan daya aktif dari generator. Penambahan kopel pemutar generator memerlukan tambahan bahan bakar pada unit pembangkit. Penambahan kopel pemutar generator ini berbanding lurus dengan produksi MWH. Dengan kata lain bahwa pengaturan frekuensi sistem adalah pengaturan pemberian bahan bakar pada pembangkit. Pengaturan pemberian bahan bakar atau air tersebut diatas dilakukan oleh governor unit pembangkit. Reaksi dari keadaan governor ini dapat terjadi tidak stabil yang terus menerus berosilasi sampai keadaan yang langsung stabil tanpa osilasi yang ditunjukkan pada gambar 2.7. Gambar 2.7 Respons governor terhadap perubahan beban Dari gambar diketahui bahwa pada saat t = t0 ada penambahan beban sehingga frekuensi menurun menurut garis a. Pada saat t = t1 governor mulai beroperasi dengan mengadakan pengaturan primer sampai t = t2 dengan tercapai frekuensi f1. Pada saat t = t3 dilakukan pengaturan sekunder sehingga frekuensi kembali menjadi t4. Besarnya Δf tergantung kepada penyetelan speed droop governor. 16
Sifat governor yang dapat stabil tetapi tidak dapat mengembalikan nilai frekuensi ke nilai frekuensi semula. Hal itu menunjukkan bahwa governor mempunyai speed droop. Makin kecil speed droop dari governor makin peka governor tersebut terhadap perubahan beban tetapi juga lebih besar kemungkinannya untuk tidak stabil. Jadi dalam sistem yang terdiri dari banyak unit pembangkit apabila terjadi perubahan beban maka unit pembangkit yang mempunyai speed droop kecil yang mengalami penambahan beban yang lebih besar daripada unit pembangkit yang mempunyai speed droop besar [2]. 2.6 Stabilitas Tegangan Stabilitas tegangan merupakan kemampuan sistem tenaga listrik untuk mempertahankan tegangan pada seluruh bus dalam sistem yang berada dibawah kondisi operasi normal setelah mengalami gangguan. Ketidakstabilan mungkin terjadi dalam bentuk kenaikan atau penurunan tegangan pada beberapa bus secara progresif. Akibat dari ketidakstabilan tegangan adalah lepasnya beban pada area dimana tegangan mencapai nilai rendah yang tidak dapat diterima atau kehilangan integritas sistem tenaga listrik. Faktor utama penyebab ketidakstabilan tegangan biasanya adalah jatuh tegangan yang terjadi ketika daya aktif dan reaktif mengalir melalui reaktansi induktif di jaringan transmisi. Hal ini membatasi kemampuan jaringan transmisi untuk mengirim daya. Transfer daya akan semakin terbatas ketika beberapa generator mencapai batas kemampuan daya reaktifnya. Pemicu utama ketidakstabilan tegangan adalah beban. Dalam merespon sebuah gangguan, daya yang dikonsumsi beban dipulihkan oleh aksi dari regulator tegangan. Pemulihan beban meningkatkan tekanan pada jaringan tegangan tinggi menyebabkan lebih banyak pengurangan tegangan. Situasi tersebut menyebabkan terjadi ketidakstabilan tegangan ketika beban dinamis berusaha memulihkan konsumsi daya diluar kemampuan sistem transmisi dan pembangkit yang terhubung. Stabilitas tegangan dibagi menjadi dua kategori, yaitu : 17
a. Stabilitas tegangan gangguan besar dikaitkan dengan kemampuan suatu sistem untuk mengendalikan tegangan mengikuti gangguan besar, seperti gangguan sistem, lepasnya pembangkitan, dan hubung singkat. Kemampuan ini ditentukan oleh karakteristik antara beban dengan sistem, serta interaksi dari sistem proteksi dan kendali kontinu. Rentang waktu studinya dari beberapa detik hingga puluhan menit. Oleh karena itu, simulasi dinamis jangka panjang dibutuhkan untuk analisa. b. Stabilitas tegangan gangguan kecil terkait hubungannya dengan kemampuan sistem untuk mengendalikan tegangan mengikuti gangguan kecil seperti kenaikan beban sistem. Bentuk stabilitas ini ditentukan oleh karakteristik beban dan kendali kontinyu. Konsep ini berguna untuk menentukan bagaimana tegangan sistem akan merespon terhadap perubahan kecil pada sistem setiap saat. Proses dasar yang berkontribusi terhadap stabilitas tegangan gangguan kecil adalah keadaan stabil alami. Kriteria untuk stabilitas tegangan gangguan kecil adalah pada kondisi operasi untuk setiap bus dalam sistem, nilai tegangan bus meningkat saat injeksi daya reaktif pada bus yang sama meningkat. Sebuah sistem dikatakan tidak stabil tegangannya jika untuk minimal satu bus dalam sistem, nilai tegangan bus menurun ketika injeksi daya reaktif pada bus yang sama meningkat. Rentang waktu untuk masalah stabilitas tegangan bervariasi dari beberapa detik hingga puluhan menit. Sehingga, stabilitas tegangan mungkin merupakan fenomena jangka panjang atau jangka pendek [7]. Ketidakstabilan sudut rotor dan ketidakstabilan tegangan berjalan beriringan. Stabilitas tegangan berkaitan dengan daerah beban dan karakteristik beban. Stabilitas sudut rotor berhubungan dengan pembangkit listrik kecil yang terintegrasi dengan sebuah sistem besar melalui saluran transmisi yang panjang. Singkatnya, secara mendasar, stabilitas tegangan merupakan stabilitas beban, sedangkan stabilitas sudut rotor merupakan stabilitas generator. Sehingga apabila terjadi jatuh tegangan pada sebuah sistem transmisi yang jauh dari beban, hal itu merupakan ketidakstabilan sudut rotor. Jika jatuh tegangan terjadi pada daerah beban, hal tersebut sebagian besar disebabkan oleh masalah ketidakstabilan tegangan [5]. 18