BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Sistem Tenaga Listrik Sistem ketenagalistrikan secara umum merupakan suatu sistem yang
terdiri dari lima sub sistem utama yaitu pembangkit listrik, sistem transmisi, Gardu Induk, sistem distribusi dan beban. Diagram segaris dari sistem ketenagalistrikan secara umum dapat dilihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1. Sistem Tenaga Listrik Sederhana (Tobing, 2003)
Dari gambar 2.1 mengenai sistem ketenagalistrikan secara umum, sumber listrik berasal dari pembangkit tenaga listrik. Lokasi pembangkit listrik umumnya berada jauh dari sumber beban, sehingga untuk menyalurkan energi listrik yang telah dibangkitkan harus disalurkan melalui sistem transmisi. Energi listrik yang dibangkitkan tegangannya akan dinaikkan menggunakan transformator penaik tegangan untuk kemudian disalurkan melalui sistem transmisi menuju Gardu Induk untuk kemudian dapat disalurkan ke sumber beban. Tegangan ini dinaikkan dengan maksud untuk mengurangi jumlah arus yang mengalir pada saluran transmisi. Setelah daya listrik yang disalurkan mendekati sumber beban atau Gardu Induk, maka selanjutnya tegangan trasmisi diturunkan melalui transformator penurun tegangan (step-down transformer) di Gardu Induk tersebut. Tegangan diturunkan menjadi tegangan menengah 20 kV untuk dapat disalurkan ke Gardu Distribusi. Kemudian dari Gardu Distribusi tegangan kembali diturunkan menjadi
5
6
tegangan rendah 220V/380 V sehingga selanjutnya dapat disalurkan melalui saluran distribusi menuju pusat-pusat beban.
2.1.1
Saluran Transmisi Daya Listrik Ada dua kategori saluran transmisi yakni saluran udara (overhead lines)
dan saluran kabel tanah (underground cable). Saluran udara menyalurkan daya listrik melalui kawat-kawat yang digantung pada menara atau tiang transmisi dengan perantaraan isolator-isolator, sedangkan saluran kabel tanah melalui kabelkabel yang ditanam di bawah permukaan tanah. Saluran bawah tanah tidak dipengaruhi oleh cuaca buruk, hujan, angin, petir, dan sebagainya serta sesuai diterapkan di tempat yang padat. Namun biaya pembuatannya jauh lebih mahal dibandingkan saluran udara dan perbaikannya lebih sulit apabila terjadi gangguan. Menurut jenis arus yang ditransmisikan dikenal sistem arus bolak-balik (Alternating Current, AC) dan sistem arus searah (Direct Current, DC). Hampir semua saluran transmisi saat ini menggunakan sistem AC dibandingkan sistem DC. Salah satu penyebabnya adalah kemudahan pentransformasian tegangan AC jauh lebih mudah dan murah dibandingkan transformasi tegangan DC. Untuk keperluan analisis dan perhitungan, saluran transmisi biasanya dibagi dalam tiga kelas berdasarkan panjang saluran transmisi (Hutahruk,1985) 1) Saluran pendek (<80 km ) 2) Saluran menengah ( 80-250 km ) 3) Saluran panjang ( >250 km ) Namun klafikasi di atas sangat kabur dan sangat relatif. Klasifikasi saluran transmisi harus didasarkan pada besarnya kapasitansi ke tanah. Bila kapasitansi kecil, dengan demikian arus bocor ketanah jauh lebih kecil daripada arus beban, dalam hal ini kapasitansi ke tanah dapat diabaikan, dan dinamakan saluran pendek. Tetapi bila kapasitansi begitu besar sehingga masih dapat dianggap sebagai kapasitansi terpusat (lumped capasitance), dan ini dinamakan saluran menengah. Bila kapasitansi besar sekali sehingga tidak memungkinkan lagi dianggap sebagai kapasitansi terpusat, dan harus dianggap terbagi rata disepanjang saluran, maka dalam hal ini dinamakan kawat panjang.
7
Klasifikasi saluran transmisi berdasarkan tegangan kerjanya yakni berbeda-beda untuk setiap negara tergantung kemajuan dalam bidang transmisi. Di indonesia standar tegangan tinggi yakni 66, 150, 380, 500 KV, dan klasifikasi menurut tegangan ini masih belum nyata. Tetapi di negara-negara maju seperti USA, Rusia, Canada, tegangan transmisinya telah mencapai 1.000 KV, maka klasifikasi saluran transmisi berdasarkan tegangan kerjanya adalah: 1) Tegangan tinggi (150 kV) 2) Tegangan ekstra tinggi (220-750 kV) 3) Tegangan ultra tinggi (>750 kV)(Hutahuruk, 1985) sedangkan klasifikasi saluran transmisi berdasarkan fungsinya dalam beroperasi sering diberi nama : 1) Transmisi, menyalurkan daya besar dari pusat-pusat pembangkit kedaerah beban atau antara dua atau lebih sistem. Saluran yang menghubungkan dua atau lebih sistem disebut juga sebagai saluran interkoneksi(tie-line). 2) Sub transmisi, saluran atau transmisi percabangan dari saluran yang tinggi ke saluran yang lebih rendah. 3) Distribusi, saluran transmisi yang menyalurkan daya dari gardu induk ke area beban.
2.1.2
Parameter-Parameter Saluran Transmisi Saluran transmisi listrik mempunyai dua parameter yang mempengaruhi
kemampuannya untuk berfungsi sebagai bagian dari suatu sistem tenaga, yaitu: 1) Resistansi (R) 2) Induktansi (L) Impedansi seri dibentuk oleh resistansi dan induktansi yang terbagi rata disepanjang saluran. Sedang konduktansi dan kapasitansi yang terdapat di antara penghantar-penghantar dari suatu saluran fasa tunggal atau diantara sebuah penghantar dan netral dari suatu saluran tiga fasa membetuk admintansi paralel (shunt admitance). Meskipun resistansi, induktansi, dan kapasitansi tersebut diatas terbagi rata di sepanjang saluran, rangkaian saluran ekivalen dibentuk dari
8
parameter-parameter yang dijadikan satu (lumped) sedangkan konduktansi, karena nilainya sangat kecil pada saluran udara maka pengaruhnya diabaikan.
1. Resistansi (R) Resistansi dirumuskan sebagai: R=ρ
..................................................................................................(2.1)
dimana: ρ = resistivitas penghantar l = panjang penghantar A = luas penampang penghantar Penghantar dengan lilitan terdapat penambahan panjang dari penghantar itu sendiri karena pembentukan lilitan-lilitannya sehingga resistansinya juga bertambah besar. Untuk itu diperlukan faktor koreksi sebesar 1% untuk penghantar dengan tiga serat dan 2% untuk penghantar dengan lilitan konsentris.
2. Induktansi (L) Ada dua persamaan dasar yang dapat dipakai untuk menjelaskan dan merumuskan induktansi. Persamaan pertama menghubungkan tegangan imbas dengan kecepatan perubahan fluks yang meliputi suatu rangkaian. Tegangan imbas adalah e=
.....................................................................................................(2.2)
dimana: e = tegangan imbas = kecepatan perubahan fluks Jika
arus
pada
rangkaian
berubah-ubah,
medan
magnet
yang
ditimbulkannya juga berubah-ubah. Jika dimisalkan bahwa media di mana medan magnet ditimbulkan mempunyai permeabilitas yang konstan, banyaknya fluksgandeng berbanding lurus dengan arus, sehinngga tegangan imbas sebanding dengan kecepatan perubahan arus dan dinyatakan dengan persamaan kedua:
9
e=L
..................................................................................................(2.3)
dimana : e = tegangan imbas L = induktansi rangkaian = kecepatan perubahan arus Jika persamaan (2.3) dan (2.4) diselesaikan untuk mendapatkan L, maka diperoleh : L=
...................................................................................................(2.4)
Sehingga dapat didefinisikan bahwa induktansi sendiri dari suatu rangkaian listrik adalah fluks gandeng dari rangkaian per satuan arus.
2.1.3
Studi Aliran Daya Saluran Transmisi Studi aliran daya digunakan untuk menganalisa suatu sistem penyaluran
daya listrik dari pusat-pusat pembangkit yang disalurkan melalui saluran trasmisi sampai ke pusat-pusat beban dengan memperhatikan kapasitas daya yang disalurkan dan losses. Studi aliran daya ( Power Flow) disebut juga Load Flow adalah bagian penting dalam analisis sistem tenaga. Penyelesaian masalah aliran daya, sistem diasumsikan dalam operasi seimbang dan menggunakan model satu phasa. Jaringan terdiri dari beberapa node/bus dan cabang yang mempunyai impedansi yang dinyatakan dalam per-unit (pu) pada base MVA. Ada empat parameter yang digunakan pada setiap bus yaitu tegangan, sudut phasa, daya aktif,dan daya reaktif. Dengan analisis aliran daya akan diperoleh informasi yang penting dalam merencanakan
atau
mendesain
pengembangan
sistem
tenaga
maupun
untuk menentukan kondisi operasi terbaik dari suatu sistem tenaga listrik yang sudah ada. Kondisi operasi sistem sangat dipengaruhi oleh perilaku beban dan keadaan komponen-komponen yang membentuk sistem, seperti kesiapan unit pembangkit, transformator, jaringan transmisi dan peralatan lainnya. Keadaan
10
tersebut dari waktu ke waktu selalu berubah, sehingga pada saat-saat tertentu bisa jadi sistem tidak dalam kondisi aman atau tidak memenuhi kriteria mutu pelayanan tenaga listrik. Periode yang perlu mendapat perhatian adalah ketika sistem mengalami pembebanan berat akibat sebagian elemen sistem tidak bisa beroperasi atau ketika sistem sangat ringan. Secara
umum
tujuan
dari
analisis
aliran
daya
dimaksudkan
untuk mendapatkan: 1) Besar
dan
sudut
tegangan
masing-masing
bus
sehingga
dapat
diketahuitingkat pemenuhan batas-batas operasi yang diperbolehkan. 2) Besar
arus
(daya)
yang
disalurkan
lewat
jaringan,
sehingga
bisadiidentifikasi tingkat pembebanannya. 3) Kondisi awal bagi studi-studi selanjutnya, seperti, analisis rugirugitransmisi, studi stabilitas tegangan dan sebagainya. Perhitungan aliran daya biasanya memakai mode adimitansi bus dan reperesentasi saluran transmisi panjang menengah nominal π. Rangkaian ekivalen saluran transmisi panjang menengah nominal π per fasa ditunjukkan pada Gambar 2.1 Impedansi antara node i dan j terdiri dari impedansi seri Z dan admitansi paralel Ysh. Admitansi paralel Ysh ini disebut dengan admitansi pemuatan saluran ( line charging ). Sesuai dengan arah arus I, node i dianggap sebagai ujung pengirim ( sending end ) dan node j dianggap sebagai ujung penerima ( receiving end ) dan admitansi paralel terbagi dua antara node i dan node j seperti tampak pada Gambar 2.1 Besar impedansi total antara kedua node adalah : Zij = Z + Zsh ..................................................................................................(2.8) Dengan Zsh = Y
.............................................................................................(2.9)
Admitansi total antara kedua node adalah: Yij =
................................................................................................(2.10)
Atau : Yij = Yij ∠ θij cos θij + j
sin θij = Gij + Bij ....................................(2.11)
11
dimana Gij dan Bij masing-masing menyatakan konduktansi total dansuseptansi total antara node i dan j dan θij menyatakan sudut yang dibentuk oleh vektor tegangan antara node i dan j, Vij dan arus I.
Gambar 2.2 Rangkaian ekivalen π (Saadat, 1999)
Biasanya dalam perhitungan aliran daya, terdapat empat kuantitas yang penting dan berhubungan pada tiap bus antara lain, daya aktif, daya reaktif, sudut tegangan dan magnitude tegangan. Dua dari empat kuantitas δi ,
, Pi, dan
Qi, sehingga ada beberapa macam jenis bus : 1) Bus Beban (Bus PQ) Pada bus ini daya aktif dan daya reaktif diketahui,dan biasanya nilai yang digunakan berdasarkan pencatatan dalam operasisistem atau dengan pengukuran. Sedangkan magnituda tegangan bus dan sudut fasa tegangan dihitung. 2) Bus Generator (Bus PV) Setiap bus pada sistem yang tegangannya dijaga konstan disebut bus dengan tegangan terkontrol. Setiap bus dimana terdapat generator, daya aktif yang dibangkitkan dikontrol dengan pengaturan penggerak mula dan magnituda tegangannya dapat dikontrol dengan mengatur eksitasi generator dan mengontrol daya reaktifnya. Disebut juga bus PV karena nilai Pgi dan
sudah diketahui.
3) Bus Berayun (Slack Bus). Biasanya bus I yang didefinisikan sebagai slack bus, namun sebaiknya bus dengan kapasitas pembangkitan daya terbesar dipilih sebagai slack bus, sebab pada bus ini berfungsi untuk mencatu rugi-rugi dan kekurangan daya pada jaringan. Sudut tegangan dari slack bus merupakan referensi untuk sudut tegangan
12
semua bus lainnya. Kuantitas yang diketahui adalah magnituda tegangan
dan
sudut tegangan .
2.2
FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) merupakan
perangkat kontrol elektronik terpadu yang mengontrol varibel-variabel saluran transmisi seperti impedansi saluran, tegangan sistem dan sudut tegangan secara cepat dan efektif. Dengan demikian FACTS juga sangat berperan untuk menjaga operasi sistem tenaga listrik yang optimal. Peralatan FACTS sudah banyak digunakan pada sistem tenaga modern untuk menangani masalah penyaluran daya dimana sebagai peralatan elektronika daya terpadu, FACTS sangat mungkin diaplikasikan pada saluran transmisi untuk meningkatkan kemampuan penyaluran daya saluran. Dengan biaya investasi yang relatif lebih murah dan waktu pemasangan yang cepat dibanding dengan membangun saluran transmisi baru, menyebabkan aplikasi peralatan FACTS banyak menjadi pertimbangan utama oleh perusahaan penyedia listrik. Selain pertimbangan biaya investasi, penggunaan FACTS juga didasarkan pada kemampuannya untuk meningkatkan kestabilan transmisi tenagalistrik (Husain, 2005). FACTS dalam pengembangannya sangat erat sekali hubungannya dengan pengkajian aplikasi Thyristor untuk elektronika daya. Dengan pemanfaatan peralatan kendali elektronika daya tersebut, maka FACTS akan sangat diminati karena menyediakan banyak kelebihan dibandingkan dengan peralatan kendali mekanik. Keuntungan alat kendali elektronik seperti misalnya waktu reaksi yang berkecepatan tinggi dibandingkan dengan waktu reaksi dari peralatan kendali mekanik. Sebagai gambaran, FACTS dapat mengubah arah atau jalur daya listrik dalam waktu kurang dari satu cycle. Dengan kecepatan reaksi yang tinggi ini berarti FACTS dapat juga menyediakan fungsi lainnya yang tidak mungkin didapatkan pada alat kendali mekanik, seperti misalnya fungsi untuk mengatasi gangguan peralihan (transient disturbance) pada jaringan transmisi. (Husain, 2005)
13
2.2.1
Jenis Peralatan FACTS Perkembangan teknologi FACTS telah mengalami dua generasi. Generasi
pertama menghasilkan dua jenis peralatan. Alat pertama diberi nama Static Var Compensator (SVC) yang sudah diimplementasikan pada jaringan transmisi listrik semenjak pertengahan tahun 70-an. Static VAR Compensator (atau disebut SVC) adalah peralatan listrik untuk menyediakan kompensasi fast-acting reactive power pada jaringan transmisi listrik tegangan tinggi. SVC adalah bagian dari sistem peralatan AC transmisi yang fleksibel, pengatur tegangan dan menstabilkan sistem. Istilah “static” berdasarkan pada kenyataannya bahwa pada saat beroperasi atau melakukan perubahan kompensasi tidak ada bagian (part) SVC yang bergerak, karena proses komensasi sepenuhnya dikontrol oleh sistem elektronika daya. Jika power sistem beban reaktif kapasitif (leading), SVC akan menaikkan daya reaktor untuk mengurangikan VAR dari sistem sehingga tegangan sistem turun. Pada kondisi reaktif induktif (lagging), SVC akan mengurangi daya reaktor untuk menaikkan VAR dari sistem sehingga tegangan sistem akan naik. Gambar2.3 menunjukkan contoh dari topologi SVC.
Gambar 2.3 Static VAR Compensator (Husain,2005)
Alat berikutnya yang dikembangkan pada generasi pertama diberi nama NGH-SSR (Narain G. Hingorani – SubSynchronous Resonance) Damper. Alat ini dirancang untuk mengatasi permasalahan subsynchronous resonance (SSR) yang ditemukan pada jaringan transmisi listrik AC. Jaringan transmisi 500kV Southern California Edison dijadikan tempat pemasangan pertama dari alat ini pada tahun 1980-an setelah SSR mengakibatkan kerusakan fatal pada salah satu generatornya.
14
NGH-SSR seperti yang ditunjukan gambar 2.4 juga terdiri dari thyristor yang dihubungkan dengan induktor dan tahanan secara seri. Alat inilah yang kemudian menjadi cikal bakal dari salah satu alat yang dikembangkan dalam generasi kedua FACTS yaitu alat yang dikenal dengan nama Thyristor Controlled Series Capacitor(TCSC).
Gambar 2.4 NGH - SubSynchronous Resonance (Husain, 2005)
Semakin berkembangnya teknologi dibidang pembuatan Thyristor mendorong terciptanya generasi kedua dari FACTS. Pada generasi kedua beberapa peralatan FACTS baru telah dikembangkan. Pertama adalah alat yang diberi nama Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC) yang berfungsi sebagai pengendali impedansi dari jaringan transmisi. Seperti diketahui, impedansi sepanjang jaringan transmisi umumnya bersifat induktif sedangkan yang bersifat resistif hanya berkisar 5 sampai 10 persen. Ini berarti akan terasa sangat besar manfaatnya apabila kita mampu mengendalikan impedansi transmisi yang bersifat induktif pada kondisi stabil (steady state impendance). Hal ini dapat ditempuh dengan cara penambahan kapasitor dan induktor secara seri. Penghubungan kapasitor secara seri akan berakibat pengurangan impedansi pada transmisi sedangkan penghubungan induktor secara seri akan berarti penaikan impedansi pada transmisi yang sama. Gambar 2.5 menunjukkan contoh dari TCSC yang telah dipasang pada jaringan transmisi 500kV milik Bonneville Power Administration (BPA) dinegara bagian Oregon. Studi kasus pemasangan TCSC yang telah dilaksanakan oleh Electric Power Research Institute (EPRI) pada satu jaringan transmisi menunjukkan bahwa TCSC berhasil meningkatkan kuantitas
15
aliran daya (dalam MW) sebanyak 30% dengan sekaligus menjaga stabilitas sistim jaringan transmisi tersebut. Hal ini yang mengakibatkan pemasangan TCSC, menurut studi kasus pada jaringan transmisi tersebut, akan memberikan keuntungan sebesar kurang lebih $68 juta US dolar setiap tahunnya.
Gambar 2.5 Thyristor Controlled Series Capacitor (Husain, 2005)
STATCOM (Static Synchronous Compensator) merupakan shunt devices dari FACTS (Flexible AC Transmission System) yang terdiri dari perangkat power
elektronik untuk mengatur aliran daya dan meninkatkan kestabilan
transient sistem daya. STATCOM mengatur regulasi tegangan terminal dengan cara membangkitkan atau menyerap daya reaktif dari sistem. Jika tegangan sistem lebih rendah, STATCOM membangkitkan daya reaktif (kapasitif). Jika tegangan sistem lebih tinggi, STATCOM menyerap daya reaktif (induktif) . Variasi daya reaktif diatur oleh VSC (Voltage source Converter) yang dihubungkan pada sisi sekunder transformator. . Pada akhirnya nanti, STATCOM diharapkan untuk dapat menggantikan pemakaian alat Rotating Synchronous Compensator yang kini umum dipasang. STATCOM adalah alat FACTS pertama yang menggunakan tipe thyristor berbeda dari peralatan FACTS sebelumnya. Jenis thyristor yang dipakai adalah jenis GTO (Gate Turned-Off). Pada dasarnya, STATCOM adalah alat yang berbasis inverter tiga fasa yang dihasilkan oleh voltase satu arah (dc) dari kapasitor seperti yang diilustrasikan oleh Gambar 2.6 Pada gambar tersebut, jika voltase V0 lebih tinggi (atau lebih rendah) dari pada voltase sistim transmisi V, maka selisih sudut fasa dari kedua voltase tersebut akan menentukan jumlah arus listrik yang mengalir
16
serta arus listrik akan menjadi lead. Dengan jalan demikian, maka daya reaktif beserta arahnya pada sistim transmisi akan dapat dikendalikan secara cepat dan berkelanjutan (continuous).
Gambar 2.6 STATCOM (Husain, 2005)
Selanjutnya adalat alat FACTS yang disebut TCPR kependekan dari Thyristor Controlled Phase angle Regulator. Fungsi dari alat ini tidak lain adalah sebagai pengendali selisih sudut fasa pada voltase dari kedua ujung jaringan transmisi yang sama. Fungsi tersebut dimungkinkan dengan cara penyuntikan voltase secara seri pada jaringan transmisi listrik. Gambar 2.7 menunjukkan konsep dari TCPR ini. Penambahan sudut fasa a pada voltase transmisi V dicapai dengan cara menambahkan voltase Vq yang tegak lurus terhadap V. Voltase Vq sendiri dihasilkan dari voltase sekunder dari transformer yang dihubungkan ke dua fasa dari sistim transmisi tiga fasa ini. Percobaan pemasangan TCPR telah dilaksanakan dengan sukses diberbagai lokasi jaringan transmisi di Amerika Serikat. Salah satu contoh adalah pemasangan TCPR di jaringan transmisi 230kV milik Minnesota Power yang telah terbukti mampu menghasilkan selisih sudut fasa dengan sangat cepat.
17
Gambar 2.7 Thyristor Controlled Phase angle Regulator (Husain, 2005)
Alat selanjutnya adalah konsep lain dari pengaturan selisih sudut fasa seperti pada TCPR. Alat ini diberi nama Unified Power Flow Controller (UPFC) yang mana perancangannya berbasis inverter dengan menggunakan thyristor. Sebagaimana diilustrasikan pada gambar 2.8, pada UPFC, vektor voltase Vpq yang dihasilkan oleh inverter disuntikkan secara seri ke jaringan transmisi. Voltase searah (dc) yang digunakan inverter ini didapatkan dari hasil penyearah (rectification) voltase dari transmisi yang sama. UPFC merupakan alat kendali daya aktif dan daya reaktif secara terpisah pada trasmisi listrik dan dapat dipasang pada ujung pengirim maupun penerima daya. Lebih penting lagi, UPFC juga merupakan alat pengendali daya yang sangat fleksibel karena dapat menggunakan salah satu ataupun kombinasi parameter dasar dari sistim aliran daya yaitu voltase transmisi, impedansi transmisi, dan selisih sudut fasa transmisi. Hal ini merupakan suatu keuntungan karena dengan pemasangan satu UPFC yang dapat mengendalikan ketiga parameter tersebut, maka tidak hanya sistim jaringan transmisi akan menjadi lebih baik, tetapi juga akan menjadi lebih murah dan mudah dalam pemeliharaan dan pengoperasiannya. Dengan kata lain, pemasangan satu UPFC akan sama halnya dengan pemasangan alat TCSC, STATCOM dan TCPR secara bersamaan. Studi kasus terhadap UPFC, baik itu dalam skala besar maupun kecil telah berhasil dilaksanakan. Sebagai contoh, 1060 MVA UPFC telah dipasang pada jaringan transmisi 500kV yang menghubungkan kota Phoenix (negara bagian Arizona) dengan kota Las Vegas (negara bagian Nevada) dan kota Los Angeles (negara bagian California). Gangguan tiga fasa pada satu titik di
18
jaringan tersebut disimulasikan untuk menginvestigasi reaksi UPFC dan peralatan konvesional. Hasil simulasi menunjukkan UPFC memberikan reaksi lebih stabil dibandingkan dengan reaksi peralatan konvesional. Voltase dari transmisi menunjukkan lebih kurang osilasinya dengan menggunakan UPFC dibandingkan pemasangan peralatan lama. Dengan demikian, UPFC merupakan alat yang dapat dihandalkan untuk pengendalian aliran daya listrik dengan sekaligus menjaga kestabilan sistim jaringan transmisi itu sendiri.
Gambar 2.8 Unified Power Flow Controller (Husain, 2005)
Beberapa peralatan FACTS lainnya yang juga dikembangkan adalah TCBR, TCSR, dan TCVL. TCBR adalah singkatan dari Thyristor Controlled Braking Resistor yang dapat menjadi alternatif yang compact dan murah dari penggunaan Mechanically Switched Braking Resistor yang saat ini umum digunakan. Pemasangan braking resistor dekat unit pembangkit sangat diperlukan untuk mencegah terjadinya percepatan pada generator setelah terjadinya pemutusan beban (loss of load) pada transmisi. Direncanakan sebelum tahun 2000 an nanti, alat TCBR ini akan mencapai tahap penyelesaian. Yang berikutnya adalah TCSR singkatan dari Thyristor Controlled Series Reactor yang dapat digunakan pada jaringan transmisi yang membutuhkan pengurangan beban dengan cepat dan pembatasan dari arus gangguan (fault). Alat ini dapat pula digunakan bersama TCSC pada jaringan transmisi yang memerlukan kompensasi induktif seri yang tinggi. Rancangan alat ini telah dilaksanakan pada pertengahan dekade 90-an. Terakhir adalah Thyristor Controlled Voltage Limiter berfungsi sebagai pembatas kelebihan voltase (overvoltage) selama selang waktu yang relatif cukup lama yang dapat merusak peralatan pada jaringan transmisi.
19
Sebagaimana halnya dengan TCSR, rancangan alat ini juga dimulai sekitar pertengahan dekade 90-an.
2.3
Unified Power Flow Controller (UPFC)
Gambar 2.9 Produk Unified Power Flow Controller (AvoidingGrid Meltdown _ Archive content from Machine Design, 2002)
UPFC merupakan piranti FACTS (Flexible AC Transmission System) sebagai kendali yang dapat mengontrol secara simultan tiga parameter sistem tenaga lisrik (Impedansi saluran, Sudut fasa, dan tegangan). UPFC menggunakan dua buah converter yang dapat membangkitkan sumber tegangan serempak (syncrhronous voltage source).
2.3.1
Struktur Dasar UPFC Struktur UPFC pertama kali dikemukakan oleh Gyugyi tahun 1991.
Terdiri dari 2 buah Voltage Sourced Converters (VSC), yang saling terhubung dengan Common DC Link melalui DC Storage Capacitor. Setiap Converter terhubung ke sistem melalui coupling transformer, dimana Converter 1 terhubung paralel dengan line transmisi melalui shunt transformer (Boosting Transformer) dan dikenal sebagai STATCOM (Static synchronous compensator), sedangkan converter 2 terhubung seri dengan line transmisi melalui series transformer
20
(Exciting Transformer) dan dikenal sebagai SSSC (Static synchronous series compensator. Lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.10 (Mansyur, 2011).
Gambar 2.10 Struktur Dasar dari UPFC (Mansyur, 2011)
VSC merupakan peralatan semikonduktor jenis fully controlled, misalnya IGBT (Insulated gate bipolar transistor) atau Thyristor GTO (Gate turn off). Walaupun IGBT merupakan peralatan switching yang lebih cepat dari GTO, namun karena frekwensi switching dan orde harmonicnya lebih tinggi, maka UPFC dengan GTO menjadi lebih baik dari pada IGB, dilihat dari harga, berat, volume dan noise yang ditimbulkan, dan dapat di turn off dengan menerapkan signal gerbang negatip.
2.3.2
Prinsif Kerja UPFC UPFC merupakan peralatan elektronika daya yang dipasang pada saluran
transmisi. UPFC terdiri dari exciting transformer (ET) yang terhubung seri dengan saluran, Boosting transformer (BT) terhubung parallel dengan saluran, dua konverter sumber tegangan atau disebut converter bersumber tegangan (Voltage Source Converter) yang masing-masing terhubung secara paralel dan seri dengan saluran transmisi melalui Coupling Transformer yaitu BT dan ET. Hal ini dimaksudkan agar daya aktif dapat mengalir bebas melalui kedua converter tersebut, dan setiap converter dapat menyerap atau membangkitkan daya reaktif secara bebas pada masing-masing keluarannya.
21
Gambar 2.11 UPFC dengan dua voltage source converter (Mansyur, 2011)
Pada Gambar 2.11
konverter 2 sebagai fungsi utama UPFC untuk
menginjeksikan tegangan sebesar Vpq dengan magnitude Vpq dan sudut phasa yang dapat dikendalikan seri dengan saluran transmisi melalui boosting transformer. Tegangan yang diinjeksikan berperan sebagai sumber tegangan AC sinkron (synchronous ac voltage source). Arus saluran transmisi mengalir melalui sumber tegangan AC sinkron yang mengalami perubahan daya aktif dan reaktif. Diantara konverter 2 dan sistem AC, daya reaktif yang diubah pada tegangan terminal AC diubah ke daya DC pada kapasitor DC sebagai permintaan daya aktif. Fungsi utama konverter 1 adalah untuk memberikan atau menyerap daya aktif yang diminta oleh konverter 2 pada rangkaian DC bersama. Daya pada rangkaian DC dikonversi kembali ke AC dan dikopel ke saluran transmisi melalui boosting transformer, konverter 1 juga dapat menyerap daya reaktif yang dapat dikendalikan, jika diinginkan maka akan memberikan kompensasi reaktif shunt secara bebas untuk saluran transmisi.
22
2.3.3 Model UPFC
Gambar 2.12 Rangkaian eqivalen dari UPFC (Mansyur, 2011)
Rangkaian eqivalen dari UPFC, diperlihatkan pada Gambar 2.12 Dimana VS dan VR masing masing sebagai tegangan pengirim dan penerima, VSh dan VSe merepresentasikan UPFC dengan sumber tegangan shunt dan seri, terhubung ke jaringan transmisi pada titik tengahnya (Mid-point). VSh dihubungkan ke jaringan melalui transformator shunt yang direpresentasikan sebagai XSh, dan VSe dihibungkan ke jaringan melalui transformator seri yang direpresentasikan sebagai XSe. Dengan melepaskan VSC yang terhubung seri (Vse), maka dapat dipahami operasi VSC yang terhubung Shunt (Vsh). Jika magnitude Vsh lebih besar dari tegangan mid point VM dan sudut fase keduanya sama, maka daya reaktif akan mengalir dari sumber tegangan shunt Vsh menuju bus M. Jika sudut fase Vsh mendahului sudut fasa tegangan mid point VM, dan magnitude Vsh lebih besar dari VM, maka daya nyata dan reaktif akan mengalir dari sumber tegangan Vsh menuju bus M. Sebaliknya, jika magnitude dari Vsh kurang dari VM, namun perbedaan sudut fase antara keduanya adalah nol, maka hanya daya reaktif yang akan mengalir dari bus M ke bus P. Dalam proses ini, sumber tegangan Vsh mengkonsumsi daya reaktif. Jika sudut fase VM mendahului sudut fase Vsh, dan magnitude VM lebih besar dari Vsh, maka daya nyata dan reaktif akan mengalir dari bus M ke bus P. Dalam keadaan ini VSC dikatakan mengkonsumsi daya nyata dan reaktif.
23
Sebagai kesimpulan, dengan mengontrol amplitude dan sudut fase dari sumber tegangan shunt Vsh. maka arah aliran daya nyata dan reaktif ke bus M dapat dikendalikan. Keadaan ini menunjukkan bahwa sumber tegangan Vsh dapat berfungsi sebagai beban atau sebagai generator pada sebuah system tenaga listrik. Jika perbedaan sudut fasa antara sumber tegangan Vsh dan tegangan pada bus M dipertahankan pada nilai nol, kemudian dengan merubah-rubah besar Vsh, maka daya reaktif dapat dikomsumsi atau dibangkitkan oleh Vsh, keadaan operasi ini dapat dibandingkan dengan reaktor pengendali thyristor dengan kapasitor shunt yang tetap (Kompensator shunt) yang membangkitkan atau menyerap daya reaktif dengan mengubah impedansi reaktif shunt nya. Hal ini menunjukan bahwa fungsi dari kompensator shunt diduplikasi oleh sumber tegangan Vsh. Untuk keadaan dimana Vse terhubung ke sistem, dengan sumber tegangan shunt Vsh dalam keadaan tidak operasi. Dan diasumsikan bahwa magnitude dan sudut fasa sumber tegangan seri Vse dapat bervariasi. Maka arus line transmisi Ise berinteraksi dengan sumber tegangan seri Vse yang menyebabkan daya nyata dan reaktif dapat saling dipertukarkan antara sumber tegangan seri dan line transmisi. Jika sumber tegangan Vse, dan arus line transmisi Ise, memiliki perbedaan sudut fase 900 dan fasor tegangan Vse mendahului arus line, maka sumber tegangan seri Vse hanya membangkitkan daya reaktif. Diagram fasor ditunjukkan pada Gambar 2.13
Gambar 2.13 Hubungan Phasor antara sumber tegangan Vse dan arus jaringan Ise (Mansyur, 2011)
24
Sebaliknya, jika phasor tegangan sumber Vse terbelakang dari phasor arus line transmisi dengan 90 derajat, maka tegangan sumber Vse akan mengkonsumsi daya reaktif. Operasi diatas dapat dibandingkan dengan Kapasitor seri / induktor seri pada line transmisi. Ketika kapasitor ditempatkan secara seri dengan saluran transmisi, maka ia akan membangkitkan daya reaktif. Jumlah daya reaktif yang dibangkitkan tergantung pada besar kompensasi seri dan arus line. Ketika induktor ditempatkan dalam seri dengan line transmisi, maka ia akan mengkonsumsi daya reaktif. Sebagai kesimpulan, bahwa fungsi kapasitor seri diduplikasi oleh sumber tegangan seri Vse, dengan mempertahankan fasanya mendahului phasor arus line transmisi Ise sebesar 90 derajat. Sebaliknya fungsi dari induktor seri diduplikasi oleh sumber tegangan seri Vse, dengan mengatur sudut fasanya terbelakang 90 derajat terhadap phasor arus line transmisi. Dengan mengatur sudut fase dari sumber tegangan seri Vse yang tepat, maka dapat diperoleh operasi dari phase shifter. Dalam kasus phase shifter ini, sudut fasa dari sumber tegangan seri Vse mendahului atau tertinggal dari tegangan bus dengan besar sudut 90 derajat. Hal ini menyebabkan fasor tegangan bergeser dengan besaran yang bergantung pada magnetudo dari tegangan injeksi. Dalam hal ini, jika sumber tegangan seri Vse mempunyai phasa mendahului atau tertinggal 90 derajat dari tegangan bus VM, maka pergeseran phasa α = (
) dapat ditentukan. Gambar 2.14 menunjukkan hubungan fasor sumber
tegangan seri Vse yang mendahului tegangan bus VM, untuk operasi fase shifter. Sebagai kesimpulan, bahwa dengan mengatur sudut fase pada sumber tegangan seri Vse baik mendahului atau terbelakang 90 derajat dari tegangan bus VM, maka diperoleh operasi phase shifter. Untuk pergeseran fasa yang bervariasi, besarnya sumber tegaangan seri Vse, dapat pula bervariasi. Ilustrasi diatas menunjukkan bahwa fungsi kompensasi shunt, kompensasi seri dan kompensasi sudut fase dapat diperoleh dengan memanipulasi besar sumber tegangan seri dan shunt dan sudut fasa UPFC.
25
Gambar 2.14 Hubungan fasor antara sumber tegangan seri Vse dan tegangan bus VM untuk operasi fase shifter (Mansyur, 2011)
2.3.4
Metode Injeksi UPFC
Gambar. 2.15 VSC terhubung seri sebagai sumber tegangan dan reaktansi
(Bhowmik, 2011)
Pengaruh UPFC pada sistem tenaga diawali dengan analisis model injeksi tegangan (series Voltage Source Converter) disingkat dengan VSC sebagai fungsi utama. Misalkan suatu sumber tegangan yang terhubung seri terletak antara bus I dan O di sistem daya. VS secara seri dapat dimodelkan dengan tegangan injeksi ideal VT yang di seri dengan sebuah reaktansi XS. Gambar 2.15 menunjukkan gambaran dari representasi VSC yang terhubung seri. Injeksi tegangan VT terdiri dari komponen Vp dan komponen kuadratur Vq yang sefasa dengan melihat tegangan masukan UPFC VI. Kemudian, dapat ditulis : VT = (Vp + jVq) dimana
I
................................................................................... (2.11)
adalah sudut fase tegangan masukan UPFC. Model Injeksi
diperoleh dengan mengubah sumber tegangan VT yang terhubung secara seri dengan XS yang setara dengan sumber arus yang terhubung secara paralel dengan admitansi dari XS. Sumber arus dapat diperoleh dengan Is = - jbsVT = bs (Vq - jVp)
................................................................ (2.12)
26
Dimana bs =
.................................................................................................. (2.13)
Kemudian, daya kompleks diinjeksikan ke dalam setiap bus menjadi SI = VI (-Is)* = - bsVI (Vq + jVp) SO = Vo Is* = bS VO (Vq - jVp)
.............................................. (2.14)
dan daya aktif dan reaktif dapat diperoleh dengan PI = Real (SI)
QI = Imag (SI)
PO = Real (SO)
QO = Imag (So)
dari persamaan (2.13, 2.14), model injeksi dari VSC yang terhubung seri dapat dilihat sebagai dua injeksi yang dependen seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.15 Sekarang, mari kita perhatikan jika inverter 1 dihubungkan shunt. Itu harus memberikan beberapa daya aktif yang diinjeksikan ke jaringan melalui sumber tegangan yang terhubung seri.
Gambar. 2.16 Model injeksi untuk VSI terhubung seri (Bhowmik, 2011)
Jadi, inverter 1 dan 2 perlu memenuhi kondisi persamaan berikut, dengan asumsi bahwa kerugian inverter diabaikan : P1 = P2 Jadi, inverter 1 dan 2 perlu memenuhi kondisi persamaan berikut, dengan asumsi bahwa kerugian inverter diabaikan : S2 = VT . I*IO *
= (Vq - jVp)
......................................... (2.15)
Kemudian, daya aktif dan reaktif disuplai oleh inverter 2 sehingga diperoleh
P2 = - bS Vq VI + bS VO (VQ cos (
I
-
O)
+ Vq sin (
I
-
O)..................
(2.16)
27
Q2 = bS(Vp VI +
)–bSVOVP cos(
I
-
O)+bSVOVP
sin(
I
-
O).
...............................................................................................( 2.17) 2.3.5
Metode Kontrol UPFC
Mode-mode kontrol dasar UPFC diklasifikasikan menjadi beberapa mode operasi dasar sebagai berikut: 1) Mode konverter paralel Konverter paralel beroperasi dengan cara menarik arus dari saluran secara terkontrol. Salah satu
komponen arus ini ditentukan secara otomatis
menyeimbangkan daya aktif konverter seri. Komponen arus reaktif dapat diatur dalam berbagai tingkat referensi yang diinginkan (induktif atau kapasitif) dalam batas kemampuan konverter. 2) Mode konverter seri Fungsi konverter seri adalah mengontrol besar dan sudut tegangan yang diinjeksikan seri pada saluran transmisi. Injeksi tegangan bertujuan untuk mempengaruhi aliran daya di saluran 3) Mode alternatif dan mode terpisah Pada jenis mode operasi ini tergantung pada kebutuhan instalasi tertentu. Switchgear dapat diatur sehingga memungkinkan kedua konverter beroperasi secara terpisah dengan melepas terminal common dc dan membagi bank kapasitor. Dalam operasi ini konverter shunt beroperasi terpisah sebagai Static Synchronous Compensator (STATCOM) dan konverter seri beroperasi sebagai Static Synchronous Com-pensator (SSSC). Dalam kondisi operasi terpisah konverter tidak mampu menyerap atau membangkit-kan daya aktif sehingga operasi dominan daya reaktif. Namun daya pada saluran masih dapat dikontrol tetapi P dan Q tidak dapat berubah secara bebas.
2.4
Pemodelan Sistem Kontrol Pemodelan dibutuhkan dalam menganalisis sistem kontrol. Untuk
melakukan studi
sebuah sistem bisa dilakukan dengan dua cara, yaitu cara
eksperimen dengan sistem nyata dan eksperimen dengan model sistem. Cara
28
pertama memang hasilnya bisa langsung terlihat, namun memiliki kendala yang signifikan di antaranya ialah biaya eksperimen yang mahal padahal belum tentu berhasil, mengganggu sistem yang sedang berjalan dan mungkin saja sistem yang akan dipelajari belum eksis. Cara kedua adalah menggunakan eksperimen dengan model sistem yang akan disimulasikan melalui perangkat lunak (software) yang terdapat pada komputer. Model sistem yang akan dibuat bisa dalam bentuk model fisik atau model matematika tergantung dari sistem yang akan dipelajari. Pada sistem kontrol biasanya menggunakan model matematika, yaitu persamaan differensial fungsi waktu (dinamik). Solusi yang diterapkan bisa dengan secara analitik ataupun numerik (simulasi). Ada 2 jenis sistem kontrol :
a.
Sistem kontrol loop tertutup (closed-loop control system).
b.
Sistem kontrol loop terbuka (open-loop control system).
Gambar 2.17 Studi Sistem (Wahid,2010)
2.4.1
Sistem kontrol loop terbuka Suatu sistem yang tindakan pengendaliannya bebas dari keluarannya.
Gambar 2.18 Sistem kontrol loop terbuka (Wahid,2010)
Faktor terpenting dalam sistem loop terbuka adalah waktu. Kelebihan dari sistem ini antara lain: konstruksinya sederhana dan perawatannya mudah, lebih
29
murah, tidak ada persoalan kestabilan, cocok untuk keluaran yang sukar diukur (contoh: untuk mengukur kualitas keluaran pemanggang roti). Sedangkan kelemahannya yaitu gangguan dan perubahan kalibrasi, untuk menjaga kualitas yang diinginkan perlu kalibrasi ulang dari waktu ke waktu.
2.4.2
Sistem kontrol loop tertutup Suatu sistem yang tindakan pengendaliannya tergantung pada keluarannya.
Jenisnya antara lain : a. Sistem kontrol berumpan balik (feedback control system) b. Sistem kontrol inferensial (inferential control system) c. Sistem kontrol berumpan-maju (feedforward control system)
Gambar 2.19 Sistem kontrol loop tertutup (Wahid,2010)
2.5
Simulink Matlab Simulink adalah suatu aplikasi khusus dalam Matlab, dimana telah
disediakan blok-blok fungsi sederhana ataupun kompleks. Untuk dapat menggunakan blok-blok tersebut, pengguna cukup mengetik simulink dalam command window, seperti ditunjukkan gambar 2.20. Setelah menu simulink library browser diatas muncul, maka pengguna cukup menarik gambar blok yang digunakan ke dalam lembar kerja untuk pemodelan (modeling sheet). Kelebihan Simulink Matlab terletak pada : 1.
Kemudahan manipulasi struktur matriks.
2.
Kekuatan fasilitas grafik tiga dimensi yang sangat memadai.
3.
System scripting yang memberikan keleluasaan bagi pengguna untuk mengembangkan dan memodifikasi software untuk kebutuhan sendiri.
30
4.
Kemampuan interface (misal bahasa C, word dan matematika).
5.
Dilengkapi dengan toolbox, simulink, stateflow dan sebagainya, serta mulai melimpahnya source code di internet yang dibuat dalam Matlab (contoh toolbox misalnya: signal processing, control system, neural networks dan sebagainya). Dalam kemudahan dan kejelasannya dalam memahami contoh dan demo
serta help yang ada dan dengan dilengkapinya Simulink Matlab dengan banyak toolbox maka semakin menambah kemudahan dalam mengoperasikan Simulink Matlab itu sendiri dan menyelesaikan banyak persolaan matematis (Ali, 2004).
Gambar 2.20 Simulink Matlab (Ali, 2004)
2.6
ETAP Power Station ETAP Power Station merupakan program yang digunakan untuk
menganalisa jaringan listrik. Program ini diciptakan dengan 3 (tiga) konsep utama, yaitu : 1. Operasi nyata secara virtual (Virtual Reality Operation) Pengoperasian program ini menyerupai operasi sistem listrik yang sesungguhnya. 2. Data gabungan total (Total Integration of Data) ETAP Power Station menggabungkan sifat electrical, logical, mechanical, dan physical dari sistem dalam database yang sama. Hal ini mencegah data ganda dimasukkan ke dalam satu komponen.
31
3. Kesederhanaan dalam memasukkan data (Simplicity in Data Entry) ETAP Power Station menggunakan data lengkap dari setiap peralatan listrik yang kadang hanya membutuhkan satu jenis pemasukan data. Data Editor dirancang untuk mempercepat pemasukan data dengan menggunakan data minimum saja. Hal ini dilakukan dengan cara menyusun property editor untuk memasukkan data yang dibutuhkan saja pada analisa dan desain yang berbeda. ETAP Power Station dapat melakukan penggambaran single line atau one line diagram secara grafis dan mengadakan beberapa analisa atau studi, yaitu Load Flow (aliran daya), Short Circuit, motor starting, harmonisa, transient stability, protective device coordination, dan cable derating. Dalam menggunakan program ETAP Power Station, ada beberapa langkah dasar yang harus dilakukan, seperti yang akan dijelaskan sebagai berikut : 1. Membuat file baru Mengisi nama label membuat file projek. 2. Desain diagram Membuat single line dari tabel AC Edit sebelah kiri (single line dari sumber PLN sampai beban). 3. Definisi dari setiap parameter Mengisi setiap parameter sesuai dengan real. 4. Menganalisa daya listrik yang mengalir Menganalisa daya yang mengalir pada sumber sampai beban. 5. Laporan hasil Print out hasil.
