Analisis Stabilitas Transien Dan Perancangan Pelepasan Beban Pada Sistem Kelistrikan Tabang Coal Upgrading Plant (TCUP) Kalimantan Timur

Analisis Stabilitas Transien Dan Perancangan Pelepasan Beban Pada Sistem Kelistrikan Tabang Coal Upgrading Plant (TCUP) Kalimantan Timur Primanda Ary Putranta 2206100198 Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Abstrak: Tabang Coal Upgrading Plant (TCUP) adalah salah satu perusahaan penambang batu bara yang terletak di daerah Kalimantan Timur. Untuk melayani kegiatan operasional, TCUP mengoperasikan generator 10 MW dan generator DG SET 2.5 MW untuk total kapasitas pembebanan sebesar 9.933 MW. Pembangkit yang berkapasitas rendah digunakan sebagai back up pada waktu start motor-motor besar. Pada tugas akhir ini Analisa Sistem Tenaga yang dilakukan difokuskan pada analisa kestabilan transien yang meliputi kestabilan tegangan dan kestabilan frekuensi, serta pelepasan beban (load shedding) saat terjadi gangguan berupa lepasnya suatu pembangkit dan Loss of Excitation DG SET, dalam sistem kelistrikan Tabang Coal Upgrading Plant (TCUP). Hasil analisa kestabilan transien pada sistem ini menyimpulkan bahwa untuk mengembalikan kestabilan sistem perlu dilakukan Load Shedding pada beban TCUP sebesar 391.3 kW. Selain itu juga perlu dilakukan setting ulang pada governor generator DG SET, karena pada saat beban motor mengalami hubung singkat, putaran kecepatan generator DG SET terdapat riple pada osilasinya untuk mengembalikan tegangan sistem ke keadaan normal. Kata Kunci : Kestabilan transien, pelepasan beban

I.

PENDAHULUAN

Dalam sistem tenaga listrik di butuhkan keseimbangan antara daya mekanik dengan daya elektrik. Daya mekanik berupa penggerak awal pada generator, sedangkan besarnya daya elektrik di pengaruhi oleh besarnya beban-beban listrik. Besar dari daya elektrik ini terus berubah-ubah sesuai dengan kebutuhan. Setiap perubahan beban listrik harus diikuti dengan perubahan daya mekanik berupa perubahan daya pada penggerak daya pada penggerak awal generator. Jika daya mekanik pada poros penggerak awal tidak dengan segera menyesuaikan dengan besarnya beban listrik maka frekuensi dan tegangan akan bergeser dari posisi normal. Apabila tidak segera menyesuaikan maka akan membuat sistem menjadi tidak stabil.

II. LANDASAN TEORI Definisi Kestabilan Dalam keadaan operasi yang stabil dari sistem tenaga listrik, terdapat keseimbangan antara daya input mekanik pada prime over denagn daya output listrik (beban listrik) pada sistem. Dalam keadaan ini semua generator berputar pada kecepatan sinkron. Jika terjadi gangguan, maka sesaat akan terjadi perbedaan yang besar antara daya input mekanik dan daya output listrik dari generator. Kelebihan daya mekanis terhadap daya listrik mengakibatkan percepatan pada putaran rotor atau sebaliknya. Bila gangguan ini tidak dapat dihilangkan dengan segera, maka percepatan atau perlambatan putaran rotor generator akan mengakibatkan hilangnya sinkronisasi dalam sistem Kestabilan sistem daya dapat didefinisikan sebagai sifat sistem yang memungkinkan mesin bergerak serempak dalam

Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.

sistem untuk memberikan reaksinya terhadap gangguan dalam keadaan kerja normal serta balik kembali ke keadaan semula bila keadaan menjadi normal. Dengan kata lain, stabilitas sistem daya merupakan kemapuan suatu sistem tenaga listrik atau bagian komponennya untuk mempertahankan sinkronisasi dan keseimbangan dalam sistem. Batas dari stabilitas sistem adalah daya maksimum yang dapat mengalir melalui suatu titik dalam sistem tanpa menyebabkan hilangnya stabilitas.

Model Mesin Sinkron Untuk Studi Stabilitas Model mesin sinkron yang paling sederhana untuk analisa stabilitas adalah menggunakan model klasik, dimana dalam model klasik ini rotor kutub menonjol diabaikan dan mesin digambarkan sebagai tegangan konstan E’ dengan reaktansi direct axis transient X’d Tegangan bus substation dan frekuensi diasumsikan tetap konstan. Generator digambarkan sebagai tegangan konstan denagan reaktansi direct axis transient X’d. Bus yang menggambarkan tegangan terminal generator Vg dapat dihilangkan dengan mengkonversikan impedansi hubungan Y ke dalam rangkaian ekivalent hubungan delta denagan admitasinya sebagai berikut

(accellerating torque) adalah hasil kali dari momen-momen kelembaman (moment of inertia) rotor dan percepatan sudutnya. Dalam sistem unit-unit MKS dan untuk generator serempak, persamaan ini dapat ditulis dalam bentuk: Rangkaian ekivalen dengan tegangan internal pada bus 1 dan bus infinite bus 2 ditunjukkan dalam gambar 2

J

d2 m =T dt 2

(2.7)

Dimana: J =

Momen kelembaman total dari massa rotor dalam kg-m2

θm = Pergeseran sudut dari rotor terhadap suatu sumbu yang diam (stationary),dalam radian mekanis Gambar 1 Rangkaian ekivalen satu mesin yang dihubungkan ke infinite bus

Persamaan arusnya I1 = (y10 + y12)E’-y12V I2 = -y12E’+(y20+y12)V Persamaan di atas dapat ditulis dalam bentuk matriks admitasi bus sebagai berikut :

I1 I2

Y11 Y12 E ' Y21 Y22 V

(2.4)

Elemen diagonal dari matrik admitasi bus adalah Y11 = y10+ y12, dan Y22 = y20+y12. Elemen off diagonalnya adalah Y12 = Y21 = -y12. Bila tegangan dan admitasi dinyatakan dalam bentuk polar maka daya real pada bus 1 diperoleh : Pe = R Pe = R

0

t

= Waktu, dalam detik

T

= Momen putar percepatan bersih, dalam Nm

Karena θm diukur terhadap sumbu pedoman yang diam pada stator maka θm adalah ukuran absolut sudut rotor. Karena itu pula θm akan terus bertambah dengan waktu bahkan pada kecepatan serempak yang konstan. Karena itu menaruh perhatian pada kecepatan rotor relatif terhadap kecepatan serempak adalah lebih mudah untuk mengukur posisi sudut rotor terhadap sumbu pedoman yang berputar dengan kecepatan serempak.

Sistem Pengoperasian Load Shedding Dalam gambar 2 dimisalkan bahwa frekuensi menurun menurut garis 2. Setelah mencapai titik B dilakukan pelepasan beban tingkat pertama oleh Under Frekuensi Relay (UFR) yang bekerja setelah mendeteksi frekuensi sebesar FB. Dengan adanya pelepasan beban tingkat pertama maka penurunan frekuensi berkurang kecepatannya, sampai di titik C UFR mendeteksi frekuensi sebesar FC dan akan melakukan pelepasan beban tingkat ke dua. Frekwensi (Hertz)

Atau Pe = Pada umumnya dalam sistem tenaga listrik, ZL dan Zs utamanya adalah beban induktif. Jika semua resistansi diabaikan, ,Y12=B12=1/X12, dan didapatkan persamaan daya yang lebih sederhana :

A

FO FE

2 3

FB FC

1

E

B C

∆F

G F

D

Pe = Atau

2.5

Dinamika Rotor Dan Persamaan Ayunan Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu mesin serempak didasarkan pada prinsip dasar dinamika yang menyatakan bahwa momen putar percepatan

Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.

0

tA

tB

tC

tD tE

tF tG

Gambar2. perubahan frekuensi sebagai fungsi waktu dengan adanya pelepasan beban

Waktu (detik)

Setelah pelepasan beban tingkat kedua frekuensi sistem tidak lagi menurun tapi menunjukkan gejala yang baik yaitu naik kembali menuju titik D. Naiknya frekuensi dari titik C menuju titik D disebabkan karena daya yang masih tersedia dalam sistem adalah lebih besar daripada beban setelah mengalami pelepasan beban tingkat kedua. Mulai dari titik D, yaitu setelah proses tersebut di atas berlangsung selama TD. Governor unit-unit pembangkit dalam sistem mulai melakukan pengaturan primer. TD berkisar sekitar 4 detik. Periode sebelum governor melakukan pengaturan primer disebut periode transien dan ini berlangsung selama kira-kira 4 detik. Setelah governor melakukan pengaturan primer maka frekuensi mencapai titik FE yaitu kondisi pada titik E. Kemampuan governor melakukan pengaturan primer sangat tergantung kepada besarnya spinning reserve yang masih tersedia dalam sistem. Seandainya unit-unit pembangkit yang masuk (paralel) keadaan sistem mempunyai kemampuan pembangkitan 100 MW tetapi bebannya baru 70 MW maka dikatakan bahwa spinning reserve masih 100-70 = 30 MW. Setelah mencapai titik E masih ada deviasi frekuensi sebesar F terhadap frekuensi yang diinginkan yaitu Fo dan deviasi ini dikoreksi dengan pengaturan sekunder yang dimulai pada titik F III

ANALISIS KESTABILAN TRANSIEN DAN PELEPASAN BEBAN DI TABANG COAL UPGRADING PLANT (TCUP) KALIMANTAN TIMUR

Tabang Coal Upgrading Plant (TCUP) Kalimantan Timur mendapat pasokan daya dari dua pembangkit. Satu pembangkit berkapasitas 10 MWatt, sedangkan yang lainnya berkapasitas 2,5 MWatt. Dari output generator, mensuplay 2 beban motor induksi berkapasitas 200 dan 280 kWatt, serta beban lump sebesar 1202 kVA. Dari bus beban diatas disalurkan melalui kabel sepanjang 400 meter untuk mensuplay beban MCC 1, 2 dan 3 serta dialirkan lagi dengan kabel sepanjang 500 meter mensuplay bus pumping station. Dari pumping station tegangan diturunkan dari 11 kVolt menjadi 380 Volt mensuplay water reserve pump, MCC 4 dan MCC 5.

Gambar 3 single line diagram sistem kelistrikan Tabang Coal Upgrading Plant (TCUP) Kalimantan Timur

IV. SIMULASI DAN ANALISIS 4.1 Transient pada Sistem Kelistrikan Tabang Coal Upgrading Plant (TCUP) Kalimantan Timur Stabilitas transien yang akan dianalisis pada sistem kelistrikan Tabang Coal Upgrading Plant (TCUP) Kalimantan Timur adalah gangguan lepas pembangkit, pembangkit loss excitation, dan hubung singkat pada beban. Pada kasus ini pembangkit yang mengalami adalah pembangkit DG SET. Beberapa parameter yang diamati antara lain: a) Respon frekuensi generator sebelum, selama dan setelah mengalami gangguan yang terjadi pada DG SET terhadap sistem TCUP. b) Respon tegangan bus generator , dan main bus sebelum, selama dan setelah mengalami gangguan yang terjadi pada DG SET terhadap sistem TCUP Dan mode gangguan pada generator yang digunakan dalam simulasi ini adalah “DG SET Delete” , “DG SET Loss Excitation”, dan “Hubung Singkat pada beban motor BRIQ BAG FILTER FANS_A&B” 4.2 Generator DG SET trip DG SET dilepas pada saat t=1. Pada kondisi ini. Dari hasil simulasi yang ditunjukkan gambar 4 tampak bahwa respon speed dari generator turun secara perlahan. Pada saat t=2.1, putaran pada generator 10 MW adalah 1454 rpm. Berarti frekuensinya adalah 48.4 Hz. Frekuensi ini di bawah batas frekuensi setting pada UFR yaitu 48.5 Hz .

Gambar 4 Respon Natural Generator speed 10 MW saat DG SET Trip

Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.

4.2.2 Dilakukan load shedding tahap 1 Dilakukan load shedding 1 sebesar 364.7 KW pada saat t = 1.9. Dari yang ditunjukkan pada gambar 5 bahwa setelah DG SET trip maka speed generator 10 MW akan turun secara perlahan ke 1457.5 rpm , kalau di konversi ke fekuensi sebesar 48.5 Hz pada t = 2.041

4.6 speed dari generator 10 MW mencapai 1458 rpm = 48.6 Hz pada saat transient.

Gambar 8 Respon Frekuensi bus 1 dan Main bus setelah load shedding 2

Gambar 5 Respon Natural Generator speed 10 MW setelah load shedding 1

Gambar 9 Respon Tegangan bus 1 dan Main bus setelah load shedding 2

4.3 Generator DG SET Loss Excitation

Gambar 6 Respon Tegangan bus 1 dan Main bus setelah load shedding 1

Pada simulasi ini generator DG SET mengalami loss excitation pada t = 1.

4.2.3 Dilakukan load shedding tahap 2 Load shedding tahap kedua ini merupakan kelanjutan dari load shedding pertama. Hal ini dilakukan karena pada load shedding tahap pertama frekuensi pada generator 10 MW masih berada pada frekuensi 48.5 Hz pada keadaan transient. Sehingga ditakutkan relay UFR pada generator 10 MW akan bekerja. Gambar 10 Respon Daya Reaktif Generator 10 MW dan DG SET saat DG SET loss excitation

Gambar 7 Respon Natural Generator speed 10 MW setelah load shedding 2

Load shedding tahap dua dilakukan pada t = 1.92 dengan jumlah beban sebesar 26.6 KW. Ditunjukkan gambar

Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.

Gambar 11 Respon Frekuensi bus 1 dan Main bus saat DG SET loss excitation

4.4 Hubung Singkat pada Beban Motor BRIQ BAG FILTER FANS_A&B 4.4.1Dilakukan pelepasan motor briq bag filter fans_a&b

Gambar 12 Respon Tegangan bus 1 dan Main bus saat DG SET loss excitation

Pada simulasi ini akan dilepas motor briq bag filter fans_a&b dari sistem. Motor briq bag filter fans_a&b mengalami mengalami hubungan singkat pada t = 1. Setelah mengamati hasil simulasi pada gambar 20 maka diputuskan untuk melepas motor briq bag filter fans_a&b pada t = 1.2

4.3.1 Pelepasan Generator DG SET Waktu pemutusan CB berdasarkan pada delay dari relay(40). Delay dari relay (40) sekitar 2 detik. Jadi pada simulasi ini, generator DG SET dilepas dari sistem pada t = 3 , karena generator DG SET mengalami loss excitation pada t=1 Gambar 16 Respon Natural Generator speed 10 MW dan DG

Gambar 13 Respon Natural Generator speed 10 MW

Pada hasil simulasi gambar 13 menunjukkan Kecepatan putaran pada generator 10 MW minimum pada saat transient 1453 rpm= 48.4 Hz. Frekuensi ini di bawah batas frekuensi setting pada UFR yaitu 48.5 4.3.2 Dilakukan load shedding

Gambar 17 Respon Frekuensi bus 1 dan Main bus

Pada simulasi ini load shedding dilakukan pada t = 3.5. Beban yang dilepas adalah beban – beban motor dan lump load sebesar 364.7 KW. Setelah dilakukan load shedding kecepatan putaran pada generator 10 MW minimum pada saat transient sebesar 1462rpm = 48.73 Hz.

Gambar 18 Respon Tegangan bus 1 dan Main bus

4.4.2 1.

Dilakukan pelepasan motor briq bag filter fans_a&b dan beban lain Pelepasan motor briq bag filter fans_a&b dengan beban lump load Beban lump load yang dilepas pada simulasi ini sebesar 404 KVA

Gambar 14 Respon Natural Generator speed 10 MW setelah load shedding

Gambar 19 Respon Natural Generator speed 10 MW dan DG

Gambar 15 Respon Tegangan bus 1 dan Main bus setelah load shedding Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.

Gambar 20 Respon Frekuensi bus 1 dan Main bus

simulasi 26 terlihat bahwa governor dari DG SET mengalami kesulitan untuk menaikkan tegangan dari sistem karena daya dari generator DG SET yang kecil. Untuk mengatasi ini hal ini maka ada dua alternatif yaitu mengganti generator DG SET dengan kapasitas yang lebih besar atau mengganti setting governor pada generator DG SET. Pada simulasi ini akan di coba untuk mengganti setting governor pada generator DG SET. Governor pada DG SET yang bertipe 505 akan diganti setingnya dengan governor tipe 2301

Gambar 21 Respon Tegangan bus 1 dan Main bus

2. Pelepasan motor briq bag filter fans_a&b dengan bebanbeban yang lain Total beban yang dilepas 561.67 KVA

Gambar 25 Respon Natural Generator speed DG SET

Gambar 26 Respon Frekuensi bus 1 dan Main bus Gambar 22 Respon Natural Generator speed DG SET

Gambar 27 Respon Tegangan bus 1 dan Main bus

Gambar 23 Respon Tegangan bus 1 dan Main bus

Gambar 24 Respon Frekuensi bus 1 dan Main bus

4.4.3 Penggantian Setting Governor pada Generator DG SET Generator DG SET yang berkapasitas 2.5 MW merupakan generator yang berkapasitas kecil. Dari hasil

Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.

V. PENUTUP Kesimpulan Dari hasil simulasi dan analisa di atas, maka dapat disimpulkan: 1. Akibat gangguan lepasnya pembangkit DG SET pada saat kerja paralel dengan generator 10 MW menyebabkan frekuensi generator 10 MW terus turun hingga mencapai 48.4 . Hal ini akan menyebabkan relay UFR pada generator 10 MW akan terbuka dan CB pada generator akan open. 2. Agar generator 10 MW tidak trip saat terjadi gangguan lepasnya pembangkit DG SET perlu dilakukan Load Shedding sebesar 391.3 kW sesuai dengan skema yang telah ditentukan.

3. Pada saat generator DG SET mengalami loss excitation. Generator DG SET dilepas setelah relay excitation (31) bekerja dengan delay 2 detik. 4. Setelah generator DG SET dilepas akibat loss excitation pembangkit DG SET , frekuensi generator 10 MW terus turun hingga mencapai 48.4 . Untuk menaikkan frekuensi tersebut dilakuakan Load Shedding sebesar 364.7 kW 6. Pada saat hubung singkat pada beban motor BRIQ BAG FILTER FANS_A&B menyebabkan frekuensi pada generator10 MW dan DG SET mencapai 46 Hz, sehingga relay UFR pada kedua generator bekerja. 7. Apabila relay UFR pada generator bekerja, maka relay UFR akan melepas generator dari sistem.

Saran Saran yang dapat diberikan untuk perbaikan dan pengembangan simulasi ini adalah sebagai berikut : 1. Penggantian seting dari governor DG SET dari tipe 505 ke tipe 2301 2. Beban yang diprioritaskan untuk di shedding adalah beban-beban lump load atau beban-beban dengan kapasitas daya yang kecil

DAFTAR PUSTAKA [1]

[2]

[3]

[4] [5]

[6]

[7]

[8]

American National Standards Institute, “ IEEE Recommended Practice for Protection Of Industrial and Commercial Power System “, IEEE Std 242-1986 ANSI/IEEE C37.106-1987, “IEEE Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants”. ANSI C84.1-1989, “ American National Standard for Electric Power System and Equipment “. Hadi Saadat, Power System Analysis, McGrawHill Inc, 1999. D. Prasetijo Stud. IEEE, W.R. Lachs SMIEEE & D. Sutanto SMIEEE, 1994. “A New Load Shedding Scheme For Limiting Underfrequency”, Power System, IEEE Transaction, vol. 9, no,3, pp.13711378. Concordia, Charles, Lester H. Fink, George Poullikkas, “Load Shedding on an Isolated System”, Power System, IEEE Transaction, vol. 10, No.3, pp.1467-1472, August 1995. Penangsang, Ontoseno.” Diktat Kuliah Analisis Sistem Tenaga Listrik 2”, Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Penangsang, Ontoseno.” Diktat Kuliah Peningkatan Kualitas Daya”, Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

Proceedings Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI – ITS.

[9]

[10]

Dugan, R. C, M. F. McGranaghan, H. W. Beaty. “Electrical Power System Quality”. New York : McGraw-Hill. 1996. Kundur, Prabha “Power System Stability and Control”. New York : McGraw-Hill.

RIWAYAT HIDUP Primanda Ary Putranta lahir di Sragen pada tanggal 3 September 1988. Anak pertama dari pasangan Drs. Suranta dan Untati. Pendidikannya berawal dari TK Aisyiah Bustanul Atfah pada tahun 1992 1994, kemudian melanjutkan ke SDN 1 Sragen pada tahun 1994 - 2000, Setelah lulus ia melanjutkan pendidikannya ke SMPN 1 Sragen pada tahun 2000 - 2003, pendidikan SMA ditempuh pada tahun 2003-2006 di SMAN 1 Sragen pada tahun 2003 – 2006, setelah lulus melanjutkan pendidikannya di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jurusan Teknik Elektro Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga tahun 2006 - sekarang. Semasa kuliah aktif mengikuti pelatihan dan seminar sejak mahasiswa baru. Penulis pernah menjadi fungsionaris Himatektro ITS sebagai Staf Departemen Lingkar Kampus Periode 2008/2009,. Penulis dapat dihubungi di [email protected]