Tugas Akhir II – Teknik Elektro ITB
Analisa Sensitivitas Impedansi Operasional Generator Sinkron Berdasarkan Metode Respon Frekuensi Rizki Aftarianto dan Pekik Argo Dahono Laboratorium Penelitian Konversi Energi Elektrik Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha No 10. Bandung 40132. INDONESIA
[email protected] ,
[email protected] Abstrak–-Pada paper ini dijelaskan mengenai analisa sensitivitas impedansi operasional terhadap perubahan nilai parameter suatu generator sinkron, baik itu pada sumbu direct maupun pada sumbu quadrature. Langkah pengerjaan tugas akhir ini dimulai dengan permodelan generator sinkron berdasarkan metode Standstill Frequency Response (SSFR) pada kerangka orde kedua. Kemudian dijelaskan tentang metode penentuan parameter generator sinkron. Parameter generator sinkron yang digunakan untuk analisa sensitivitas pada tugas akhir ini menggunakan parameter generator sinkron yang telah ditentukan menggunakan metode Standstill Frequency Response (SSFR) pada penelitianpenelitian sebelumnya. Analisa sensitivitas dilakukan menggunakan software MatlabTM. Kata Kunci—Analisa sensitivitas, metode frekuensi, parameter generator sinkron
respon
I. PENDAHULUAN
G
ENERATOR sinkron banyak berperan dalam pembangkitan energi listrik. Dalam pembelian paket generator sinkron saat pembangunan unit suatu pembangkit listrik, vendor telah memberikan parameter-parameter dari generator sinkron seperti reaktansi, induktansi, dan lain-lain. Parameter ini berguna untuk memprediksi kinerja dari generator sinkron saat beroperasi. Pengembangan dari metoda penentuan parameter generator sinkron terus dilakukan dan sudah ada beberapa metode yang dikembangkan oleh orang, salah satu diantaranya ialah menggunakan metode Standstill Frequency Response (SSFR) [8]. Penentuan parameter generator sinkron menggunakan tes hubung singkat hanya dapat menyediakan informasi parameter generator pada model orde dua pada direct axis, sedangkan menggunakan tes respon frekuensi dapat menyediakan informasi parameter generator pada direct dan quadrature axis (sumbu d-q). Identifikasi parameter generator sinkron menggunakan metode respon frekuensi telah banyak digunakan pada banyak penelitian untuk mendapatkan data parameter generator yang lebih akurat [1,5].
Analisa sensitivitas impedansi operasional terhadap perubahan parameter generator sinkron dibutuhkan untuk menganalisa parameter-parameter apa saja yang banyak mempengaruhi impedansi operasional pada jangkauan frekuensi tertentu dan jangkauan analisa generator sinkron yang akan dilakukan. Analisa sensitivitas yang dilakukan pada tugas akhir ini mengacu pada analisa terhadap kestabilan generator sinkron itu sendiri. II. PERMODELAN GENERATOR SINKRON Generator sinkron dapat dimodelkan dalam beberapa model dan tingkat komplektifitas tergantung analisa yang akan dilakukan. Generator sinkron terdiri dari belitan jangkar tiga fasa pada stator dan belitan eksitasi pada rotor. Untuk mencegah arus terinduksi pada rotor ketika keadaan transient maka sebagai tambahan bisa saja terdapat belitan peredam sebagai conducting path. Pada tugas akhir ini dimodelkan generator sinkron dalam kerangka orde kedua dengan dua rangkaian rotor pada dua sumbu rotor yang disebut dengan sumbu direct dan quadrature (d-q). Konfigurasi generator yang digunakan terdiri dari dua kutub dengan dua belitan peredam pada sumbu quadrature. Digunakan transformasi park untuk mentransformasikan variabel stator menjadi variabel rotor untuk mendapatkan data variabel yang searah dengan perputaran rotor. Kemudian ditentukan persamaan flux linkage dari rangkaian rotor dan stator yang akan menentukan performasi dari rangkaian generator sinkron. Rangkaian ekivalen sumbu d-q diperoleh dari hasil substitusi persamaan fluks lingkup belitan di rotor dan stator pada persamaan tegangan stator. Persamaan fluks lingkup yang telah ditransformasikan ke variabel rotor ditunjukkan oleh persamaan (1). Persamaan tegangan untuk kumparan stator: (2)
Tugas Akhir II – Teknik Elektro ITB
(1)
!
(4)
!
(5)
. Persamaan tegangan untuk kumparan rotor: ' V ' kq rkq ' V fd = 0 V ' kd 0
€
0 ' rfd 0
' λ'kq 0 ikq ' d ' 0 i fd + λ fd dt ' ' ' λkd rkd ikd
(3)
Dari persamaan tegangan yang telah diturunkan untuk sumbu-d dan sumbu-q kemudian diperlihatkan dalam bentuk rangkaian pengganti generator orde kedua. Untuk rangkaian pengganti orde kedua sumbu-d diperlihatkan pada Gb. 1 dan rangkaian pengganti orde kedua sumbu-q diperlihatkan pada Gb. 2. Persamaan impedansi operasional sumbu-d dan sumbu-q dapat diturunkan dari rangkaian pengganti pada Gb. 1 dan Gb. 2. Persamaan impedansi operasional sumbu-d ditunjukkan pada persamaan (4) dan persamaan impedansi operasional sumbu-q ditunjukkan pada persamaan (5).
Gb. 1. Rangkaian pengganti sumbu-d.
Gb. 2. Rangkaian pengganti sumbu-q.
III. METODE RESPON FREKUENSI Metode yang digunakan ialah mendapatkan respon frekuensi dari suatu simulasi dan membandingkannya dengan respon frekuensi yang telah dihitung dari suatu fungsi transfer sistem. Prosedur untuk melakukan identifikasi parameter generator sinkron menggunakan tes SSFR ini telah dijelaskan dalam ANSI IEEE Std.115A publications [8]. Untuk melakukan tes ini generator dalam keadaan diam dan dilepaskan dari jala-jala. Posisi rotor diatur sehingga sumbu belitan medan sehubungan dengan arus DC stator akan berada pada sumbu-d dan sumbuq. Pada tahap ini rotor dihubung singkat. Untuk rangkaian tes sumbu-d dapat dilihat pada Gb 3. Secara lengkap urutan tes yang dilakukan untuk melihat respon frekuensi pada sumbu-d dan sumbu-q adalah: 1. Mengukur data impedansi operasional dan fungsi transfer dari generator.
Gb. 3. Rangkaian tes respon frekuensi untuk sumbu-d
Tugas Akhir II – Teknik Elektro ITB 2. Menentukan nilai induktansi dan impedansi operasional sumbu-d dan sumbu-q. 3. Melakukan proses curve fitting untuk memperoleh kurva yang sesuai dengan data induktansi operasional yang telah didapat.
IV. ANALISA SENSITIVITAS IMPEDANSI OPERASIONAL Analisa sensitivitas yang dijelaskan merupakan analisa untuk menentukan tingkat sensitivitas impedansi operasional sL suatu generator sinkron terhadap perubahan nilai parameternya. Sensitivitas dari impedansi operasional sL terhadap perubahan parameter generator sinkron merupakan penurunan nilai impedansi operasional sL terhadap parameternya (β) seperti ditunjukkan pada persamaan (6).
"sL,# =
"sL "#
(6) Variabel β merepresentasikan parameter-parameter generator sinkron dan sL merupakan impedansi operasional. Nilai yang didapat dari hasil analisa ! sensitivitas dapat dijelaskan sebagai prosentase perubahan dari nilai impedansi operasional sL ketika parameter berubah sebesar satu persen. Dari hasil analisa sensitivitas yang telah dilakukan kemudian dilakukan normalisasi untuk melihat nilai perubahan pada impedansi operasional sL terhadap adanya perubahan parameter generator sinkron. Persamaan untuk normalisasi ini dapat dilihat pada persamaan (7). Normalisasi =
Analisa sensitivitas dilakukan pada sumbu-d orde kedua untuk melihat sensitivitas impedansi operasional sLd terhadap perubahan parameter generator Lmd, Llfd, Rfd, Lkd, dan Rkd. Hasil analisa sensitivitas sumbu-d menggunakan software Matlab untuk parameter generator kundur [13] diperlihatkan pada Gb. 4, untuk parameter generator nanticoke diperlihatkan pada Gb. 5, untuk parameter generator lambton diperlihatkan pada Gb. 6, dan untuk parameter generator rockport diperlihatkan pada Gb. 7.
"sL # x "# sL
Gb. 4. Sensitivitas sLd orde kedua untuk turbo generator
!
(7)
Parameter yang digunakan pada analisa sensitivitas impedansi operasional sL ini menggunakan data ! parameter generator yang telah didapat pada penelitianpenelitian sebelumnya menggunakan metode SSFR [4,11,13]. Nanticoke dan Lambton generator ini merupakan generator yang terdapat pada Ontario Hydro Powerplant. Data parameter ini ditunjukkan pada Tabel1.
!
Gb. 5. Sensitivitas sLd orde kedua untuk nanticoke generator
TABEL I DATA PARAMETER GENERATOR SINKRON
Gb. 6. Sensitivitas sLd orde kedua untuk lambton generator
!
Tugas Akhir II – Teknik Elektro ITB
!
Gb. 7. Sensitivitas sLd orde kedua untuk rockport generator
Gb. 10. Sensitivitas sLq orde kedua untuk lambton generator
!
!
Gb. 8. Sensitivitas sLq orde kedua untuk turbo generator
!
!
Gb. 9. Sensitivitas sLq orde kedua untuk nanticoke generator
Analisa sensitivitas dilakukan pada sumbu-q orde kedua untuk melihat sensitivitas impedansi operasional sLq terhadap perubahan parameter Lmq, Lkq1, Rkq1, Lkq2, dan Rkq2. Hasil analisa sensitivitas sumbu-q menggunakan software Matlab untuk parameter generator kundur [13] diperlihatkan pada Gb. 8, untuk parameter generator nanticoke diperlihatkan pada Gb. 9, untuk parameter generator lambton diperlihatkan pada Gb. 10, dan untuk parameter generator rockport diperlihatkan pada Gb. 11.
Gb. 11. Sensitivitas sLq orde kedua untuk rockport generator
Impedansi operasional sumbu-d sLd paling berpengaruh terhadap perubahan parameter induktansi belitan medan Llfd. Pada turbo generator [13] terdapat pengaruh yang besar dari Llkd terhadap sLd, hal ini disebabkan adanya arus bodi rotor belitan peredam yang mengalir pada turbo generator. Impedansi operasional sLd tidak sensitif terhadap perubahan parameter resistansi sumbu-d, jadi tidak perlu diperhatikan keakuratannya pada analisa sistem kestabilan sistem tenaga listrik. Dari hasil analisa sensitivitas impedansi operasional sLq terhadap perubahan parameter Lmq, Lkq1, Rkq1, Lkq2, dan Rkq2 untuk setiap parameter generator yang diajukan dapat dianalisis bahwa seluruh parameter induktansi, baik itu induktansi pada belitan medan dan induktansi belitan peredam, terlihat pengaruhnya terhadap sLq. Untuk perubahan parameter resistansi tidak terlihat pengaruhnya terhadap sLq.
V. KESIMPULAN Dari hasil analisa sensitivitas yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa parameter induktansi pada generator sinkron paling berpengaruh dalam nilai impedansi operasional sL, parameter resistansi belitan peredam pada generator sinkron tidak ada pengaruh
Tugas Akhir II – Teknik Elektro ITB dalam nilai impedansi operasional sL untuk adanya perubahan frekuensi. Untuk analisa kestabilan generator sinkron, keakuratan nilai parameter induktansi harus lebih diperhatikan daripada nilai parameter resistansi karena nilai perubahan nilai parameter resistansi tidak terlihat pengaruhnya terhadap impedansi operasional generator.
REFERENSI [1]
[2] [3] [4]
[5]
[6]
[7] [8] [9]
[10]
[11]
[12] [13] [14]
[15]
Adib S., Aftarianto R., and Dahono P.A., “Estimasi Parameter Generator Sinkron Menggunakan Data Tes Respon Frekuensi (SSFR),” EECCIS 2008 Proceedings, 2008, pp. A114-117. Anderson P.M, Agrawal B.L, and Van Ness J.E. 1990. Subsynchronous Resonance In Power Systems. New York : IEEE Press. Costa E. da, and Jardini J. A., “A Standstill Frequency Response Method for Large Salient Pole Synchronous Machines,” IEEE Trans. On Energy Conversion. Dandeno P.L., Kundur P., Poray A.T., and Zein El-Din H.M., “Adaptation and Validation of Turbogenerator Model Parameters Through On-line Frequency Response Measurements,” IEEE Trans. On Energy Conversion, vol. PAS-100, no. 4, April 1981, pp. 1656-1664. Hasni M., Touhami O., Ibtiouen R., Fadel M., and Caux S., “Synchronous Machine Parameter Estimation by Standstill Frequency Response Tests”, Journal of Electrical Eng, vol. 59, no. 2, 2008, pp.75-80. Horning S. and Kamwa I., “On-Line Evaluation of a Round Rotor Synchronous Machine Parameter Set Estimated from Standstill Time-Domain Data,” IEEE Trans. On Energy Conversion, vol. 12, no. 4, December 1997, pp. 289-296. IEEE Guide for Synchronous Generator Modeling Practices and Application in Power System Stability Analyses, IEEE Standard 1110-2002. IEEE Standard Procedures for Obtaining Synchronous Machine Parameters by Standstill Frequency Response Testing, IEEE Standard 115A-1987. Karayaka H. B., Keyhani A., Heydt G. T., Agrawal B. L., and Selin D. A., “Synchronous Generator Model Identification and Parameter Estimation From Operating Data,” IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 18, no. 1, March 2003, pp. 121-126. Karrari M. and Malik O. P., “Identification of Physical Parameters of a Synchronous Generator From Online Measurements,” IEEE Trans. On Energy Conversion, vol. 19, no. 2, June 2004, pp.407-415. Keyhani A. and Tsai H., “Identification of High-Order Synchronous Generator Models from SSFR Test Data,” IEEE Trans. On Energy Conversion, vol. 9, no. 3, September 1994, pp. 593-603. Krause J Paul.1994. Analysis of Electrical Machinery .Singapore: McGraw-Hill Inc. Kundur P, Power System Stabiliy and Control, EPRI Power System Engineering Series. McGraw-Hill, Inc., New York, NY Tumageanian A., Keyhani A., Seung-III Moon, Leksan T.I., and Longya Xu, “Maximum Likelihood Estimation of Synchronous Machine Parameters from Flux Decay Data,” IEEE Trans. On Industry Application, vol. 30, no. 2, March/April 1994, pp. 433-439. Walton A., “A Systematic Method for the Determination of the Parameters of Synchronous Machines from the Results of Frequency Response Tests,” IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 15, no. 2, June 2000, pp. 218-223.
