Jurnal Ilmiah Kopertis Wilayah IV
ANALISIS PERFORMANSI AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR (AVR) UNTUK KESTABILAN TEGANGAN PADA MULTI MACHINE INVINITIF BUS
Agus Siswanto Universitas 17 Agustus 1945 Cirebon ABSTRAK - Kestabilan tegangan listrik dapat diatur menggunakan Automatic Voltage Regulator (AVR) pada tegangan terminal generator Conventional Energy (CE). pengaturan tegangan naik atau turun pada terminal generator tersebut dilakukan dengan mengatur suplai dari arus eksitasi pada kumparan rotor. Pada AVR digital, pengaturan nilai arus eksitasi dapat dilakukan dengan cara mengubah sudut penyalaan rangkaian trigger pada rangkaian penyearah eksitasi pada generator yang terhubung pada infinitife bus. Untuk memperbaiki performansi respon tegangan, AVR Digital menggunakan konsep PID kontroller atau Leadlag kontroller. Riset ini mensimulasikan dan menganalisis kinerja dari AVR digital yang dimodelkan rangkaian AVR Digital menggunakan Simulink pada MATLAB. Dari hasil analisis simulasi, diketahui nilai parameter optimal AVR Digital untuk pengaturan tegangan secara efektif dan sistem stabil. Kata kunci : Kestabilan, AVR, CE, PID kontroller. ABSTRACT - The stability of the power supply voltage can be set using the Automatic Voltage Regulator (AVR) on the terminal voltage generator Conventional Energy (CE). Setting the voltage up or down on the generator terminals is done by adjusting the supply of the excitation current to the rotor coil. In the digital AVR, setting the value of excitation current can be done by changing the firing angle trigger circuit in the generator excitation rectifier circuit connected to the infinitive bus. To improve performance voltage response, Digital AVR using PID controller concept or Lead-lag controller. The research simulates and analyzes the performance of digital AVR series AVR Digital modeled using Simulink in MATLAB. From the analysis of the simulation, the known value of the optimal parameters for the Digital AVR voltage regulation in an effective and stable system. Keywords: Stability, AVR, CE, PID controller. PENDAHULUAN Fenomena supply daya listrik selama ini berasala dari CE yaitu PLTU, PLTA, PLTD dan yang lain. Kebutuhan energy listrik selalu berubah tiap waktu, untuk tetap menyalurkan energy listrik ke beban. Kestabilan generator dalam menyuplai daya listrik dipengaruhi oleh banyak faktor, salah satunya adalah kenaikkan dan penurunan jumlah beban (Kimbark 1968, Fouad 1982, Kundur 1993). Jumlah beban yang berubah-ubah setiap saat haruslah diikuti dengan penyediaan daya listrik oleh generator. Setiap kenaikan atau penurunan beban harus diikuti dengan perubahan daya input mekanis pada prime mover dari generator. Bila daya input mekanis tidak cepat menyesuaikan dengan daya beban maka kecepatan rotor dari generator (frekuensi sistem) dan tegangan akan menyimpang dari keadaan normal(Ogata 1997, Saadat 1999). Jika frekuensi putaran generator dipertahankan konstan, maka tegangan listrik yang dibangkitkan akan bergantung pada kuantitas beban dan penguatan yang diberikan pada
128
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
kumparan medannya. Beban yang tidak konstan dapat menyebabkan tegangan yang dibangkitkan oleh generator berubah-ubah . Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk menjaga kontinyuitas dan kestabilan output generator, dibutuhkan alat yang berfungsi menjaga kestabilan nilai tegangan generator secara otomatis dengan cara mengubah sudut penyalaan rangkaian trigger pada rangkaian penyearah eksitasi. Alat tersebut adalah Automatic Voltage Regulator (AVR)(Kimbark 1968). Dengan menggunakan AVR digital ini, diharapkan performansi respon tegangan output generator menjadi lebih cepat dan stabil, untuk berbagai macam jenis kondisi pembebanan(Gunadin, Harun et al. 2009), baik Lagging maupun Leading. Dipilihnya kondisi pembebanan lagging adalah untuk mewakili kondisi pembebanan harian, sedangkan untuk kondisi pembebanan leading adalah untuk mengetahui kemampuan dan respon tegangan pada saat kondisi kritis(Gunadin 2012) KAJIAN PUSTAKA Sistem tenaga listrik yaitu komponen-komponen tenaga listrik yang membentuk suatu sistem terpadu dan terhubung dari pembangkit hingga beban. Ada tiga komponen penting yang membentuk sistem tenaga listrik itu yaitu komponen pembangkitan, komponen penyaluran (transmisi/distribusi) dan komponen yang berkaitan dengan pembebanan. Kestabilan Sistem Tenaga Listrik Sistem tenaga listrik yang beroperasi dalam keadaan stabil, terdapat keseimbangan antara daya input mekanis penggerak utama (prime mover) bersumber Air, Uap dan yang lain, dengan output daya listrik (beban listrik) pada sistem. Dalam hal ini generator berputar dalam kecepatan sinkron. Setiap kenaikan atau penurunan beban harus diikuti oleh perubahan daya input mekanis prime mover generator pada sistem. Bila daya input mekanis tidak dapat menyesuaikan dengan daya beban dan rugi – rugi sistem maka kecepatan rotor generator (frekuensi sistem) dan tegangan akan menyimpang dari keadaan normal. Jika terjadi gangguan, maka sesaat terjadi perbedaan yang sangat besar antara daya input mekanis dari prime mover dengan daya output generator yang dapat diamati dari sudut rotor. Kelebihan daya mekanis terhadap daya listrik mengakibatkan percepatan pada putaran rotor generator atau malah sebaliknya perlambatan pada putaran rotor generator dan akan menyebabkan hilangnya sinkronisasi sistem pada gambar 1, diperlihatkan representasi Sistem tenaga multi machine .
Gambar 1, Representasi Sistem Tenaga Listrik Multi machine Jadi kestabilan sistem tenaga listrik didefinisikan sebagai kemampuan dari sistem untuk menjaga kondisi operasi yang seimbang antara kemampuan sistem tersebut untuk kembali ke kondisi operasi normal ketika terjadi gangguan. Sedangkan ketidakstabilan sistem dapat Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
129
terjadi dalam berbagai bentuk, tergantung dari konfigurasi sistem dan mode operasinya. Secara mendasar masalah kestabilan berarti menjaga sinkronisasi operasi sistem tenaga dalam keadaan beban normal dan beban yang berfluktuatif. Dalam sistem interkoneksi memiliki karakteristik daya yang sama, hal ini jika terjadi dari salah satu pembangkit yang mengalami peurunan tegangan atau frekunsi maka pembangkit (mesin) yang lain ikur menanggung dari akibat tersebut. Oleh karena itu penurunan frekunsi dan tegangan ditanggung bersama-sama oleh sistem yang terinterkoneksi.
Gambar 2, Rangkian Ekivalen Jaringan Daya Listrik Multimesin (Robandi 2004) Analisis Kestabilan Melalui Nilai Eigen Representasi State Space pada Sistem Bentuk gejala dari sistem yang dinamik yang terjadi dalam sistem tenaga, dapat direpresentasikan dalam kesatuan dari n non linear orde pertama dari persamaan differensial yang mengikuti persamaan berikut: •
xi = fi(x1, x2, …, xn ;u1, u2, …,ur; t) (1) dengan i = 1,2,…,n dan n disebut orde dari sistem tersebut, r adalah menyatakan banyaknya input. Atau bentuk lain yang lebih ringkas dari Persamaan (1) adalah maka dapat di tulis, •
x = f(x ;u; t) (2) Kolom dari x disebut dengan variabel keadaan, sedangkan u adalah variabel input dan t adalah waktu. Kolom input adalah segala masukan dari dalam atau luar sistem yang mempengaruhi sistem tersebut. Jadi konsep dari state space ini dapat diimplementasikan dalam sistem tenaga dengan memperhatikan persamaan umum dari state space ini terhadap sistem yang besar, yaitu •
x = A ∆x + B ∆u ∆y = C ∆x + D ∆u A=
130
∂f 1 ∂x 1 ... ∂f n ∂x1
∂f 1 ∂x n ... ... ∂f n ... ∂x n ...
(3) (4) ∂f 1 ∂u 1 B= ... ∂f n ∂u 1
∂f 1 ∂u r ... ... ∂f n ... ∂u r ...
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
C=
∂g 1 ∂x 1 ... ∂g m ∂x 1
... ... ...
∂g 1 ∂x n ... ∂g m ∂x n
D=
∂g 1 ∂u 1 ... ∂g m ∂u 1
... ... ...
∂g 1 ∂u r ... ∂g m ∂u r
(5)
Persamaan (5) matrik A-D dapat mengatasi analisis mengenai kestabilan saat gangguan kecil, dengan variabel-variabelnya adalah sebagai berikut : ∆x adalah vektor keadaan dengan dimensi n. ∆y adalah vektor keluaran dengan dimensi m. ∆u adalah vektor masukan dengan dimensi r. A adalah matriks keadaan dari sistem dengan ukuran nxn. B adalah matriks pengontrol masukan dengan ukuran nxr. C adalah matriks keluaran dengan ukuran mxn. D adalah matriks feedforward antara input dan output dengan ukuran mxr. Dari variabel-variabel inilah kemudian sistem dianalisis menggunakan nilai eigenvalues dari matriks A. Analisis Nilai Eigen Jika studi sistem telah diungkapkan ke dalam analisa state space atau melalui blok diagram, maka analisis kestabilan sistem tersebut dapat diketahui melalui nilai eigennya. Eigenvalues suatu matriks didapat dari nilai skalar parameter λ yang berasal dari persamaan : Aφ = λφ (6) Keterangan persamaan di atas adalah : A adalah matriks nxn φ adalah matriks nx1 Untuk menentukan nilai eigen velue, maka Persamaan (6) dapat ditulis sebagai berikut: ( A − λI )Φ = 0
Untuk penyelesaian lebih lanjut, maka : det( A − λI ) = 0
Pengembangan dari determinan diberikan pada persamaan karakteristik n penyelesaian λ = λ1, λ2, ...., λn adalah nilai eigen A. Real eigen value berhubungan dengan sebuah mode non osilasi, maka nilai eigenvalues negatif menandakan mode yang rusak. Semakin besar nilai magnitudenya maka semakin cepat pula kerusakan. Sedangkan nilai eigen value positif menunjukkan instabilitas pada waktu tertentu. Namun jika eigenvalue tersebut terdiri dari bilangan kompleks, maka terdapat nilai konjugasi yang berpasangan. Komponen real eigen value menghasilkan redaman, dan komponen imajiner menghasilkan frekuensi osilasi. Bagian negatif real menyatakan osilasi teredam sedangkan positif real menyatakan naiknya amplitude. Bilangan kompleks tersebut mempunyai bentuk : λ = σ ± jω (7) Dengan frekuensi osilasi dalam Hz ω (8) f = 2π Frekuensi di atas menandakan frekuensi teredam. Rasio redaman ditentukan oleh persamaan : ζ=
-σ σ + ω2 2
(9)
Sistem Eksitasi Sistem eksitasi merupakan fungsi dari sistem menyediakan arus searah (dc) ke kumparan medan pada mesin sinkron pada generator. Sebagai tambahan, sistem eksitasi melaksanakan
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
131
fungsi kendali atau kontrol dan fungsi yang bersifat melindungi untuk mancapai kondisi dari sistem tenaga dengan pengendalian tegangan medan dan demikian juga arus medan. Fungsi kendali atau kontrol meliputi kontrol tegangan dan aliran daya reaktif, dan peningkatan stabilitas sistem. Fungsi yang bersifat melindungi memastikan bahwa kemampuan membatasi dari mesin sinkron, sistem eksitasi, dan peralatan lain tidak melewati batasan yang ditetapkan. Pada pembahasan ini, model sistem eksitasi yang dipakai mengacu pada model IEEE tipe 1 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, berikut: ∆U 2
∆ Vt
saturasi Amplifier
+ 1 1 + sT R
-
KA 1 + sT A
+
Exciter ∆V A
1 KE + sTE
∆ E fd
∆VF
sK F 1 + sTF Filter & penyearah
Gambar 3. Diagram blok sistem eksistasi Tipe-tipe sistem eksitasi adalah sebagai berikut: Pertama Sistem menggunakan generator dc sebagai sumber tenaga eksitasi dan menyadiakan arus pada rotor mesin sinkron melalui cincin geser. Exciter dapat digerakkan oleh motor atau poros dari generator. Dapat berupa penguatan sendiri ataupun penguatan terpisah. Pada penguatan terpisah, medan eksiter di berikan oleh exciter yang dikemudikan oleh permanen magnit dari generator. Kedua Pada sistem eksitasi ini menggunakan altenator (mesin arus bolak-balik) sebagai sumber tenaga eksitasi dari generator utama. Hal ini, eksiter berada pada poros yang sama dengan turbin generator sejajar. Output yang berupa arus bolak-balik disearahkan baik oleh controlled rectifier maupun uncontrolled rectifier. Rectifier ada yang ikut berputar dan ada pula yang diam, tidak ikut berputar. Ketiga Semua komponen pada sistem ini statis atau tidak dapat bergerak. Rectifier statis, controlled maupun uncontrolled, memberikan arus eksitasi secara langsung ke kumparan generator sinkron yang utama melalui cincin geser. Daya diberikan pada rectifier berasal dari generator utama (atau bantuan bus) melalui trafo untuk menurunkan tegangan sampai batas yang tepat, atau pada kasus-kasus tertentu melalui bantuan kumparan pada generator. METODE PENELITIAN Pemodelan Generator Di dalam pemodelan generator terdapat beberapa model yang dapat digunakan antara lain: simplified model, two axis model, dan completed model. Dalam penelitian ini pemodelan generator yang digunakan adalah simplified model. Persamaan E’ (10) E FD = (1 / K 3 + T ' do s ) E ' q∆ + K 4δ ∆ E q, ∆ =
K3 1+
, K 3Tdo
E FD∆ −
K3K4 , 1 + K 3Tdo
δ∆
(11)
Persamaan torsi elektrik
132
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
T∆ = K 1δ ∆ + K 2 E q, ∆
(12)
Persamaan tegangan terminal Vt∆ = K 5δ ∆ + K 6 E q, ∆
(13)
Dari Persamaan di atas didapatkan blok diagram dari simplified model generator. Bahwa harga konstanta dari K1, K2, K3, K4, K5, dan K6 tergantung dari parameter jaringan, kondisi operasi dan tegangan terminal infinite bus yang terhubung dengan jaringan interkoneksi. Pemodelan Sistem Eksitasi Pemodelan sistem eksitasi AVR Digital yang digunakan adalah Paiton EX-2000 Busfed Eksiter. Model ini merupakan model sistem eksitasi statis yang menggunakan PI Controler. Blok Diagram dari sistem eksitasi tersebut dapat ditunjukkan pada gambar dibawah ini: Sistem tenaga listrik secara menyeluruh yang terbagi dalam dua area dapat diwakilkan dalam satu blok mesin sebagai berikut: 1 R
K1 ∆U
1
∆Y
K ga
+
1 + sT g a
1 − Tw S 1 + 0 ,5T w S
∆Tm +
-
1 sM + D
2π f s
• ∆ω
∆δ •
-
•
w (t)
K2
K5 +
∆Vt •
+
K4
K6
∆U 2
+ -
-
KA 1 + sT A ∆VF
∆VA
1 K E + sT E
∆ E fd + •
-
K3 1 + s T d′ 0 K 3
• ∆ E ′q
sK F 1 + sT F
Gambar 4. System Multimesin (Robandi 2004) HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Tahap awal dalam melakukan simulasi adalah dengan memodelkan Simplified model generator dan sistem eksitasi digital dalam simulink. Pemodelan kedua sistem tersebut sesuai dengan blok diagram yang terdapat pada bab pemodelan sistem. Tabel 1. Data Sistem berbeban kondisi Tertinggal Daya Reaktif Beban Lagging Daya (MWatt) Tegangan (pu) Power Factor (MVAR) 1. 625 325 0.98864 0.877 2. 619 116 0.9886 0.97289 3. 698 50 0.98875 0.9874 Sedangkan untuk data beban leading diambil dari titik-titik kritis yang tertera pada kurva kapabilitas.
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
133
1.
Tabel 2. Data Sistem berbeban kondisi mendahului Daya Reaktif Tegangan Daya (MWatt) (MVAR) (pu) 300 -320 0.90854
Power Factor 0.745
2.
400
-305
0.95051
0.785
3.
225
-255
0.87662
0.6546
Beban Leading
Hasil Simulasi dan Analisis Data Simulasi dilakukan dengan menggunakan Simulink pada Software Matlab. Dari hasil simulasi dapat diketahui respon tegangan generator dan nilai eigen value dari sistem dengan setting parameter kontroller PI KPR = 2.18 dan KIR = 2.18 Dari analisis kondisi awal, kemudian dilakukan perbaikan dengan cara mensetting ulang nilai KPR dan KIR secara trial and error untuk mendapatkan respon tegangan dan Eigenvalue yang lebih baik untuk kondisi pembebanan. Sehingga didapatkan nilai KPR dan KIR yang paling bagus untuk kedua kondisi beban.
Gambar 5. Respon tegangan generator beban Tertinggal Tabel 3. Nilai eigen beban tertinggal Beban Tertinggal 1
Beban tertinggal 2
0 + 0i -99.9035 + 0i -0.42783 + 10.5029i -0.42783 - 10.5029i -0.53185 + 0i -0.093578 + 0i
0 + 0i -99.8197 + 0i -0.534021+11.209i -0.534021-11.209i -0.28281 + 0i -0.12295 + 0i
Dari simulasi diatas dapat dianalisis bahwa pada kondisi beban lagging respon tegangan generator dengan setting nilai KPR = 2.18 dan KIR = 2.18 sudah cukup bagus, akan tetapi respon mengalami “kecuraman” dan respon sangat lambat. Sedangkan respon tegangan yang didapat pada kondisi beban leading, respon tegangan mengalami osilasi bahkan cenderung menuju kondisi yang tidak stabil.
134
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
Gambar 6. Respon tegangan generator pada beban tertinggal Tabel 4. Nilai eigen Sistem Kondisi Beban KPR=100 KIR=35
KPR=300 KIR=100
KPR=25 KIR=75
0 -95.1681 -1.66244+11.0081i -1.66244-11.0081i -1.3923 -0.44824
0 -87.3508 -3.4654+8.8598i -3.4654-8.8598i -6.7706 -0.34147
0 -99.0951 -0.788083+11.3675i -0.788083-11.3675i -0.35013+0.96668i -0.35013-0.96668i
Dengan cara yang sama, hasil simulasi untuk beban leading 1 adalah : SIMPULAN DAN SARAN Untuk parameter AVR Digital (KPR=2.18 dan KIR=2.18) pada generator dalam kondisi stabil pembebanan tertinggal (beban sistem), namun respon tegangan sangat lambat dan mengalami redaman berlebih. Pada kondisi pembebanan mendahului menggunakan setting parameter AVR Digital (KPR=2.18 dan KIR=2.18), respon tegangan serta stabilitas sistem berada dalam kondisi kritis. Setelah dilakukan analisis dan perbaikan setting parameter AVR Digital, ternyata bahwa setting tersebut merupakan setting yang tepat pembebanan tertinggal, atau sebagai setting yang tepat untuk pembebanan mendahului. Untuk saran, penelitian ini dapat dikembangkan menggunakan Artificial Intelligence untuk meningkatkan performansi Kesatabilan tegangan pada sistem tenaga listrik. DAFTAR PUSTAKA Fouad, P. M. A. a. A. A. (1982). "Power System Control and Stability." Lowa State University Perss, Ames, Lowa, . Gunadin, I. C. (2012). "Determination of Steady State Stability Margin Using Extreme Learning Machine." Gunadin, I. C., N. Harun and A. Suprijanto (2009). Transient Stability on East Indonesia System. Proceeding of National Seminar on Applied Technology, Science, and Art (APTECS), Surabaya. Kimbark, E. W. (1968). "Power System Stability: SYNCHRONOUS MECHINES." Dover Publications, Inc., New York. Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
135
Kundur, P. (1993). "Power System Stability and Control " McGraw-Hill, In, USE. Ogata, K. (1997). "Modern Control Engineering, third edition." Prentice-Hall International, Inc. Robandi, I. (2004). New concept of damper on mulimachine power system. The 2004 IEEE Asia-Pacific Conference on Circuits and Systems, 2004. Proceedings. Saadat, H. (1999). "Power System." McGraw-Hill Inc. USA.
136
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
