Analisa Tanggapan Sudut Rotor Akibat Masuknya Distributed Generation Pada Sistem Interkoneksi Jamali Said Aiyub.Teuku Hasannuddin, Mulyadi Staf Pengajar Teknik Elektro Politeknik Negeri Lhokseumawe Abstrak Analisa stabilitas dinamik menyangkut tanggapan sudut rotor akibat adanya distributed generation pada sistem interkoneksi Jamali yang terdiri dari 51 generator dan 23 gardu induk tegangan tinggi (Gitet) dilakukan untuk mengetahui perubahan sudut rotor dari masing-masing pembangkit sebelum dan setelah pemasangan distributed generation bila terjadi pelepasan beban dalam rentang waktu satu detik dari detik kedua sampai dengan detik ketiga sebesar 20% pada setiap bus. Dampak pemasangan distributed generation pada sistem interkoneksi Jamali dengan tingkat penetrasi sebesar 20% dari jenis generator sinkron bila terjadi pelepasan beban dalam rentang waktu satu detik dari detik kedua sampai dengan detik ketiga sebesar 20% pada setiap bus menunjukan bahwa settling time sudut rotor dari setiap pembangkit semakin bertambah dengan adanya distributed generation. Penambahan terbesar terjadi pada pembangkit Tanjung Jati dengan nilai 20,03 detik, dan terkecil terjadi pda pembangkit Gresik dengan nilai 10,19 detik. Kata kunci: Distributed Generation, Stabilitas Dinamik, Sudut Rotor,Settling Time 1. PENDAHULUAN Penelitian ini merupakan sebuah simulasi mengenai stabilitas dinamik yaitu berupa gangguan kecil (small signal) pada sub sistem 500 kV interkoneksi Jamali yang terdiri dari 51 generator dan 23 gardu induk tegangan tinggi (Gitet) dengan adanya penambahan distributed generation. Pengamatan dilakukan terhadap tanggapan sudut rotor dari setiap station pembangkit dari pembangkit yang terhubung pada sub sistem 500 kV interkoneksi Jamali akibat adanya penambahan distributed generation. Model distributed generation yang dilakukan pada penelitian ini dari jenis generator sinkron dengan tingkat penetrasi sebesar 20% pada saat terjadi gangguan berupa pelepasan beban sebesar 20%. II. TINJAUAN PUSTAKA Dampak pemasangan distributed generation pada sisten interkoneksi Jamali dengan tingkat penetrasi sebesar 20% dari jenis generator sinkron bila terjadi pelepasan beban dalam rentang waktu satu detik dari detik kedua sampai dengan detik ketiga sebesar 20% pada setiap bus menunjukan perbaikan tanggapan frekuensi dari seluruh pembangkit berupa penurunan frekuensi maksimum antara 0,16 0,37 Hz pu dan kenaikan lamanya osilasi dan settling time untuk seluruh pembangkit berkisar antara 20,3 - 22,17 detik dan 12,65 - 14,51 detik [1] Pengaruh distributed generation terhadap stabilitas transient pada sistem tenaga listrik sangat bergantung pada tingkat penetrasi (penetration level) dan jenis dari teknologi distributed generation yang digunakan. Distributed generation dari jenis yang
menggunakan elektronika daya (power electronic) akan mengurangi over speeding pada generator. Dan Distributed generation dari jenis generator sinkron akan memberi pengaruh pada penurunan overs peeding pada generator tetapi meningkatkan waktu osilasinya [7] . Sedangkan distributed generation dari jenis generator asinkron tidak memberi pengaruh pada stabiltas transient sistem tenaga listrik. Penerapan pembangkit tenaga listrik yang tersebar dan terkoneksi melalui perangkat elektronika, kestabilan transien dari sebuah sistem tenaga listrik dibandingkan dengan kestabilan transien sebuah sistem tenaga listrik klasik, maka penerapan pembangkit listrik tersebar akan meningkatkan kestabilan operasi sistem, yang ditunjukkan dengan peningkatan critical clearing times dari generator serempak yang terhubung ke sistem tersebut [9] Peletakan distributed generation akan dapat mengurangi rugi-rugi daya pada jaringan bila peletakan dan ukuran dari dari generator tersebut sesuai dengan kondisi sistem tersebut. Dari hasil penelitian tersebut didapatkan pengurangan rugi-rugi daya sebesar 80,72% dari total rugi-rugi sebesar 386,5 kW. Pengaruh distributed generation terhadap rugi-rugi pada jaringan distribusi. didasarkan pada perbedaan tingkat penetrasi (penetration level), penyebaran dan teknologi dari distributed generation. Dari hasil penelitian tersebut didapatkan secara umum distributed generation dengan tingkat penetrasi yang rendah akan mengurangi rugi-rugi pada sistem distribusi, tetapi untuk tingkat penetrasi yang tinggi secara garis besar rugi-rugi akan bertambah dan bahkan dapat lebih tinggi dari keadaan normal. Namun jika tingkat penyebaran dari distributed generation lebih merata maka
1
dengan tingkat penetrasi yang tinggi akan menghasilkan rugi-rugi yang mínimum [6]. Yongning dkk (2006) meneliti mengenai kestabilan tegangan pada generator dengan penggerak mulanya turbin angin yang dihubungkan pada jaringan transmisi 220 kV. Dari penelitian tersebut menunjukan bahwa karakteristik dari stabilitas tegangan turbin angin jenis Doubly Fed Induction Generator (DFIG) lebih baik dari jenis Induction Generator (IG) dimana turbin angin jenis Doubly Fed Induction Generator (DFIG) memiliki tegangan pemulihan yang lebih baik dari jenis Induction Generator (IG) pada rating yang sama. Bahwa untuk kasus sistem Jawa-Bali 500 kV bus 15 (Pedan) adalah merupakan bus yang terlemah. Sehingga untuk meningkatkan kestabilan sistem dan perencanaan pengembangan sistem kedepan maka pada bus ini sebaiknya dipasang peralatan kompensasi daya reaktif (Compensator, SVC, Statcom dan lain-lain). [3] Dengan adanya penerapan Power System Stabilizer (PSS) sebagai konpensasi untuk memperbaiki watak stabilitas sistem tenaga terhadap pelepasan beban dengan mengamati perubahan sudut rotor, tegangan dan daya elektrik. Dari hasil pengamatan menunjukkan bahwa pemasangan Power System Stabilizer (PSS) memberikan pengaruh terhadap redaman waktu osilasi sebesar 50% - 64% dan overshoot sebesar 0 - 0.13%. [5] Menyatakan bahwa kestabilan dinamik sistem tenaga dapat ditingkatkan dengan melakukan metode kontrol umpan balik yang optimal. Dimana bila tejadi gangguan sistem lebih cepat mencapai konvergen dengan overshoot yang rendah. [4]
2.1. Stabilitas Dinamik Stevenson (1982) mendefinisikan stabilitas sistem tenaga listrik merupakan sifat sistem yang memungkinkan mesin bergerak serempak dalam sistem untuk memberikan reaksinya terhadap gangguan dalam keadaan kerja normal serta balik kembali kekeadaan semula bila keadaan menjadi normal. Saadat (1999) secara umum memilah persoalan stabiltas sistem tenaga dalam dua katagori utama yaitu stabilitas keaadaan tetap (steady state) dan stabilitas peralihan (transient). Sedangkan stabilitas dinamik (dynamic) merupakan pengembangan dari stabilitas keaadaan tetap (steady state). Stabilitas keaadaan tetap (steady state) adalah kemampuan dari pada system tenaga untuk tetap mempertahankan keadaan sinkron antara mesin mesin yang terhubung padanya dan external tie line terhadap ganguan-gangguan kecil yang terjadi pada sistem tersebut. Gangguan kecil tersebut berupa perubahan beban yang kecil yang telah diperkirakan , dimana perubahan beban ini dapat diatasi dengan aksi regulator tegangan dan governor turbin otomatis. Pada telaah stabilitas keaadaan tetap (steady state) menggunakan model generator yang sangat sederhana yaitu memberlakukan generator
tersebut sebagai sumber tegangan yang konstan. Stabilitas dinamik (dynamic) merupakan kemampuan system tenaga listrik untuk tetap sinkron setelah periode stabilitas transien sampai dengan system mencapai keseimbangan baru, umumnya terjadi 1 sampai 1,5 detik setelah gangguan. Studi stabilitas dinamik mencakup interval waktu 5 – 10 detik, sekali-sekali sampai 30 detik, tergantung pada inersia sistem dan karakteristik governor. 2.2. Persamaan ayunan Saadat (1999) menyatakan bahwa pada operasi keadaan normal, posisi relatif sumbu rotor dan resultan sumbu medan magnet adalah tetap. Sudut yang dibentuk diantara keduanya dinamakan dengan sudut torsi atau sudut daya. Selama adanya gangguan, rotor akan diperlambat atau dipercepat terhadap putaran sinkron. Persamaan yang menggambarkan gerakan relatif ini dinamakan dengan persamaan ayunan. Generator sinkron yang membangkitkan torsi elektromagnetik Te dan berputar dengan kecepatan ωs serta torsi mekanik Tm pada rotor, maka operasi steady state dengan mengabaikan rugi-rugi adalah Tm= Te………..………………(1) Jika J adalah kombinasi momen inersia dari penggerak mula dan generator, dengan mengabaikan gesekan dan torsi peredam, dari hukum rotasi diperoleh
J
d 2θ m = Ta = Tm − Te ..…..(2) dt 2
dengan Ta = torsi percepatan dalam n.m Tm = torsi mekanik dalam n.m Te = torsi elektromekanik dalam n.m J = momen inersia generator dan turbin dalam kg.m2 ωs = kecepatan sudut rotor dan rad mekanik/detik t = waktu dalam detik 2.3. Definisi distributed generation Distributed generation bukanlah konsep baru, namun telah lama dikenal dalam dunia sistem ketenagalistrikan yang ditandai dengan Total Energy percobaan sekitar tahun 1960 dan Packaged Cogeneration pada tahun 1980 (Friedman, 2001). Distributed generation adalah suatu konsep sistem tenaga listrik yang tidak terpusat. Di beberapa wilayah atau negara distributed generation dikenal dengan istilah yang berbedabeda, seperti negara-negara Anglo-Saxon dikenal dengan embedded generation, di Amerika bagian utara dikenal dengan dispersed generation, dan di Eropa serta sebagian Asia dikenal dengan decentralised generation (Knazkins, 2004). Ada beberapa definisi mengenai distributed generation, diantaranya adalah: • Menurut Barker (2000) distributed generation adalah generator dengan kapasitas daya yang terbatas yaitu sekitar 10 MW atau kurang dari padanya, yang dihubungkan pada jaringan distribusi
2
atau pada daerah yang dekat dengan pelanggan. • Sedangkan Gopal dkk (1999) distributed generation adalah generator listrik yang ditempatkan didekat pusat beban yang dapat dihubang dan dilepas dari saluran sesuai dengan kebutuhannya dan mempunyai nilai lebih dari grid power. • Kemudian dari hasil diskusi yang dikumpulkan pada white paper on distributed genertion (2007) distributed generation hanya mencakup generator berkapasitas kecil, memiliki teknologi yang ramah lingkungan seperti photovoltaics (PV), fuel cells, small wind turbines, atau teknologi konvensional seperti micro turbin dengan bahan bakar yang dapat diperbaharui yang dihubungkan pada jaringan distribusi atau pada daerah yang dekat dengan pelanggan, dan mencakup juga pembangkit diesel dengan tingkat polusi yang rendah yang memiliki kapasitas hingga ratusan megawatt. Pada penelitian ini distributed generation didefinisikan sebagai pembangkit dengan kapasitas kecil yang terhubung pada tegangan menengah (sistem distribusi 20 kV) atau pada area pusat beban. 2.4. Teknologi Distributed Generation Distributed generation digunakan pada sistem tenga listrik menurut Gopal dkk (1999) terdiri dari jenis turbin angin, fuel cell, sel surya, dan mikro turbin. Secar garis besar teknologi distributed generation dapat dibedakan dalam dua jenis yaitu: a. Tradisional generator (combustion engines), yaitu generator yang memiliki kecepatan turbin yang rendah, turbin kecil (micro turbin) dan generator diesel (diesel engine) b. Non tradisional generator, yaitu generator dengan sumber energi yang dapat diperbaharui bagi penggerak mulanya seperti mikro hidro, sel surya dan turbin angin. Termasuk juga dalam jenis ini yaitu electrochemical device seperti fuel cell dan storage device seperti batteries. 2.5. Kapasitas distributed generation Kapasitas daya dari sebuah distributed generation pada dasarnya merupakan generator dengan daya yang kecil yang ditempatkan pada pusat beban. Namun demikian menurut Knazkins (2004) ukuran dari distributed generation yaitu : • Mikro distributed generation yaitu generator dengan kapasitas daya antara 1 Watt sampai 5 kW. • Small distributed generation yaitu generator dengan kapasitas daya antara 5 kW sampai 5 MW. • Medium distributed generation yaitu generator dengan kapasitas daya antara 5 MW sampai 50 MW. • Large distributed generation yaitu generator dengan kapasitas daya antara 50 MW sampai 300 MW.
III. METODE PENELITIAN Penelitian ini dimaksudkan untuk mengamati kestabilan dinamik sistem interkoneksi sub sistem 500 kV Jamali akibat masukya distributed generation pada sistem tersebut. Tahap-tahap penelitian yang dilakukan sebagai berikut: 1. Membuat one line diagram sebelum dan setelah pemasangan distributed generation. 2. Menentukan nilai ekivalen daya dan konstanta inersia (H) generator. Pada sub sistem 500 kV Jamali generator yang terpasang pada setiap busnya terdiri dari beberapa generator, untuk membatasi banyaknya persamaan ayunan maka dalam simulasi penelitian ini generator tersebut digabungkan menjadi satu generator ekivalen sehingga perlu dihitung kapasitas daya dan konstanta inersia dari generator ekivalen tersebut. Nilai tersebut dihitung dengan persamaan berikut: n
Pekivalen = ∑ Pi ,i= 1, ....n
(3)
H ekivalen = ∑ H i ,i = 1, ....n
(4)
i =1 n
i =1
3. Menentukan model governor dan eksitasi setiap generator. 4. Menentukan jumlah distributed generation berdasarkan besarnya tingkat penetrasi dengan menggunakan persamaan berikut;
PL =
5.
6.
7.
8.
9.
PDG PBebanPuncak
• 100%
(5)
dengan PL adalah tingkat penetrasi (Knazkins, 2004). Pada simulasi ini dipilih tingkat penetrasi sebesar 20%, sehingga total daya yang dipikul oleh distributed generation dengan mengunakan persamaan (3) adalah sebesar 1993,6 MW. Menentukan lokasi penempatan distributed generation, yaitu distributed generation dipasang pada tegangan menengah 20 kV (sistem distribusi). Pada simulasi ini untuk membedakan antara generator besar pada sistem 500 kV dengan distributed generation pada tegangn 20 kV yaitu dengan pemisah antara distributed generation dengan bus berupa panjang jaringan sejauh 10 km. Simulasi aliran daya sistem tenaga listrik sub sistem 500 kV Jamali untuk mengetahui tegangan dan daya yang dibangkitkan oleh generator-generator pada beban puncak sistem. Membuat gangguan kecil (small signal) pada sub sistem 500 kV Jamali. Gangguan kecil tersebut berupa pelepasan beban secara bertingkat dimulai dari detik pertama sampai detik ketiga sebesar 20% pada setiap bus. Simulasi stabilitas dinamik sistem tenaga tanpa distributed generation, dengan mengamati Sudut Rotor dari generator besar yang terhubung pada sub sistem 500 kV Jamali Simulasi stabilitas dinamik sistem tenaga dengan adanya distributed generation, dengan mengamati Sudut Rotor dari
3
generator besar tegangan 500 kV.
yang
terhubung
pada
V. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil dari simulasi pada penelitian ini dapat dirinci menjadi beberapa bagian yaitu : 1. Tanggapan Sudut Rotor pada keadaan gangguan kecil (small signal) sebelum pemasangan distributed generation.(Gambar 1) 2. Tanggapan Sudut Rotor pada keadaan gangguan kecil (small signal) setelah pemasangan distributed generation. (Gambar 2) Rotor Angle(Degrees) Rotor Angle(Degrees)
0.0 G_CIRA TA G_SA GULING G_PA I TON G_GRA TI G_GRESIK G_M TWA R G_SURA LA Y A G_TJA TI
-20.0
-40.0
-60.0 0.00
5.00
10.00
15.00 20.00 Tim e in Seconds
25.00
30.00
Gambar.1.Tanggapan Sudut Rotor Sebelum DG Rotor Angle(Degrees) Rotor Angle(Degrees)
20.0
generator referensi yang berkisar antara 0° - -30°, dan diatas , yaitu generator Grati, Gresik, dan Tanjung Jati yang berkisar antara 0° - 20°, seperti yang ditunjukkan pada gambar 1 dan 2. V. KESIMPULAN Setelah dilakukan simulasi stabilitas dinamik akibat masuknya distributed generation pada sistem interkoneksi Jamali dapat disimpulkan: 1. Tanggapan sudut rotor dari setiap pembangkit dengan adanya distributed generation dan adanya pelepasan beban sebesar 20% pada setiap bus dalam rentang waktu 1 detik dari detik ke 2 sampai detik ke 3 menunjukkan kenaikkan settling time sudut rotor dari setiap pembangkit. 2. Kenaikkan settling time sudut rotor maksimum terjadi pada pembangkit Tanjung Jati dengan nilai 20,03 detik, dan terkecil terjadi pda pembangkit Gresik dengan nilai 10,19 detik. 3. Perubahan nilai sudut rotor setiap generator yaitu berkisar antara 20° - 30°.
G_CIRA TA G_SA GULING G_PA ITON G_GRA TI G_GRESIK G_M TWA R
0.0
DFTAR PUSTAKA
G_SURA LA Y A G_TJA TI
-20.0
0.00
5.00
10.00
15.00 20.00 Tim e in Seconds
25.00
30.00
Gambar 2.Tanggapan Sudut Rotor Setelah DG Analisa hasil simulasi dilakukan dengan membandingkan tanggapan sudut rotor dari setiap pembangkit yang terhubung pada sub sistem 500 kV interkoneksi Jamali. Tanggapan setiap pembangkit yang akan dibandingkan yaitu tanggapan sudut rotor sebelum dan setelah pemasangan distributed generation (Gambar 3).
[1].Hasannuddin, 2011, Studi Tanggapan Frekuensi Akibat Masuknya Distributed Generation Pada Sistem Interkoneksi Jamali, Jurnal Litek,Volume 8 Nomor 1,Maret2011, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Lhokseumawe [2].Yongning .,Liu,Y., dan Wang,W..,2006, “Voltage Stability Analysis of Wind Farm Integration into Transmission Network”, International Conference on Power System Technology
TANGGAPAN SUDUT ROTOR
[3].
30 25 20 15 10 5 0 settling
settling
settling
settling
settling
settling
settling
Suralaya
Gresik
Mtaw ar
Tjati
Sanguling
Cirata
Grati
Tanpa DG
Syukriyadin dan Gunadin,I.C,2005, “Prediksi Voltage Collapse Pada Sistem Interkoneksi Jawa-Bali Menggunakan Metode Modal Analysis”, Jurnal Rekayasa Elektrika, Vol.4 No.2.
Paiton
Dengan DG
Gambar 3. Perbandingan tanggapan Sudut Rotor sebelum dan setelah pemasangan DG. Dari gambar 5 terlihat bahwa settling time sudut rotor dari setiap pembangkit semakin bertambah dengan adanya distributed generation. Penambahan terbesar terjadi pada pembangkit Tanjung Jati dengan nilai 20,03 detik, dan terkecil terjadi pda pembangkit Gresik dengan nilai 10,19 detik. Analisa juga dilakukan terhadap perubahan nilai sudut rotor setiap generator yaitu sebelum adanya distributed generator sudut rotor setiap generator berada pada posisi dibawah sudut rotor generator Paiton yang merupakan generator referensi, yaitu berkisar antara 0° - -60°. Dan setelah adanya distributed generator sudut rotor setiap generator berada pada posisi dibawah sudut rotor generator Paiton yang merupakan
[4]. Syahrijal dan Ramon., 2005, “Penggunaan Metode Kontro Umpan Balik Optimal Untuk Menambah Kestabilan Dinamik Sistem Tenaga Listrik” , Jurnal rekayasa elektrikal, Voleme 4 No1. [5]. Zulfikar. ,2004., “Studi Stabilitas Sistem Tenaga Listrik di Sumatera Utara”, tesis Program Pascasarjana Program Studi Teknik Elektro UGM Yogyakarta. [6].Mithulananthan,N.,Oo,T.,dan Phu,L.V., 2004, “Distributed Generator Placement in Power Distribution System Using Genetic Alogaritm to Reduce Losses”, Thammasat Int.J.Sc.Tech Vol.9,No3. [7]. Knazkins,V.,2004, “Stability of Power Systems with Large Amounts of Distributed
4
Generation”, KTH Institution, Stockholm, Sweden. [8]. Slootweg dan Kling., 2002, “Impacts of Distributed Generation on power System Transient Stability”, IEEE. [9]. Reza, M.,2001, “A Survey on the Transient Stability of Power Systems with Converter Connected Distributed Generation”,Jurnal Teknik Elektro,Vol.7, No.1. [10]. William D. Stevenson, Jr.,1982, Elements Of Power System Analysis , McGraw-Hill Inc. [11]. Barker and Mello,2000, Determining the Impact of distribute Generation on Power System: part 1 Radial Distribution systems, IEEE power Engineering society Summer Meeting, Seattle, Washington. [12]. Friedman.R. 2001, DG Interconnection & the Business Deal, Resource Dynamics Corporation. [13]. Gopal,J, Grau,J, O’Neill, E, 1999, Energy Commission Staff Distributed Energi Resources Training Seminar, California Energy Commisinning, Sacramento.
5
