Analisis Kestabilan Transien dan Mekanisme Pelepasan Beban di PT. Badak NGL

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6

1

Analisis Kestabilan Transien dan Mekanisme Pelepasan Beban di PT. Badak NGL Muhammad Rizal Fauzy, Ardyono Priyadi, dan Margo Pujiantara Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected], [email protected] Abstrak — PT. Badak NGL merupakan sebuah perusahaan yang bergerak dalam bidang produksi Natural Gas Liquids atau yang lebih sering kita dengar dengan Gas Alam Cair. Dimana PT. Badak NGL ini menyuplai listrik yang dibutuhkan tidak dari sumber PLN melainkan dari sumber pembangkit sendiri. Seperti layaknya pabrik-pabrik berskala besar lainnya, PT. Badak harus tetap dijaga kontinuitas aliran listriknya, agar dapat selalu stabil proses produksi sehingga, hasil produksi dapat maksimal. Sebab apabila proses produksi terganggu oleh suplai listrik yang tidak stabil, apalagi sampai shut down, maka kerugian yang terjadi akan sangat besar, maka untuk itu salah satu hal yang penting untuk diperhatikan adalah sistem pengaman listrik yang berada di PT. Badak NGL. Tugas akhir ini menganalisa kestabilan transien dan mekanisme pelepasan beban yang terdapat pada sistem kelistrikan PT. Badak NGL Bontang hingga diperoleh keandalan dan kontinuitas yang layak.. Pada tugas akhir ini analisis yang dilakukan meliputi kestabilan transien dan mekanisme pelepasan beban akibat generator outage, short circuit, dan motor starting. Hasil simulasi menunjukkan bahwa lepasnya 1 generator ketika 7 generator ON memerlukan adanya skema load shedding tahap pertama dan lepasnya dua generator ketika 6 generator ON memerlukan adanya load shedding tahap kedua. Dalam kasus hubung singkat di bus, tegangan sistem turun hingga mencapai kondisi terendah sehingga diperlukan pengisolasian gangguan melalui pembukaan CB di sumber gangguan. Selain itu, kasus motor starting masih diperbolehkan saat 8 generator ON. Kata Kunci — gangguan transien, kestabilan transien, load shedding, standar abnormal frequency

I. PENDAHULUAN TABILITAS dari sistem tenaga listrik merupakan masalah penting untuk mengamankan sistem operasi dalam tenaga listrik. Banyak kejadian pada sitem kelistrikan disebabkan oleh ketidakstabilan sistem tenaga. Kejadian ini telah menunjukkan bahwa stabilitas sistem tenaga menjadi fenomena penting. Sistem tenaga listrik beroperasi dalam keadaan stabil jika terdapat keseimbangan antara daya mekanik penggerak utama (prime mover) dengan daya output listrik. Dalam keadaan ini semua generator berputar pada kecepatan sinkron. Setiap kenaikkan atau penurunan beban harus diikuti dengan perubahan daya mekanik prime mover 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. Kelebihan daya mekanik terhadap daya listrik

S

mengakibatkan percepatan putaran generator atau sebaliknya. Bila gangguan tidak dihilangkan dengan segera, maka percepatan atau perlambatan putaran rotor generator akan menyebabkan hilangnya sinkronisasi pada generator sinkron. PT. Badak NGL merupakan sebuah perusahaan yang bergerak dalam bidang produksi Natural Gas Liquids atau yang lebih sering kita dengar dengan Gas Alam Cair. Dalam memenuhi kebutuhan daya listrik, PT. Badak NGL memiliki 12x12.5MW generator turbin uap, 1x12.5MW generator turbin gas, dan 1x5MW generator disel guna mensuplai listrik. Untuk itu, kestabilan transien pada PT. Badak NGL perlu dianalisis secara mendalam, sehingga perlu dilakukan studi stabilitas transien untuk mengetahui keandalan sistem saat terjadi gangguan transien. Pada tugas akhir ini analisis yang dilakukan meliputi kestabilan transien dan mekanisme pelepasan beban akibat generator lepas, motor starting, dan hubung singkat. II. KESTABILAN TRANSIEN A. Kestabilan Sistem Tenaga Listrik Berdasarkan paper IEEE Transactions On Power Systems dengan judul Definition and Classification of Power System Stability, kestabilan sistem tenaga listrik dibagi menjadi tiga kategori, yaitu [1] : 1. Kestabilan sudut rotor 2. Kestabilan tegangan 3. Kestabilan frekuensi 1) Kestabilan sudut rotor adalah kestabilan saat mesin terhubung interkoneksi sehingga mesin masih dalam keadaan sinkron setelah terjadi gangguan. Hal ini tergantung kemampuan mempertahankan keseimbangan antara torsi elektromekanik dan torsi mekanik pada mesin tersebut. 2) Kestabilan frekuensi mengacu pada kemampuan sistem tenaga untuk mempertahankan frekuensi agar tetap stabil ketika terjadi gangguan sistem yang besar akibat ketidakseimbangan antara suplai daya dan beban. 3) Kestabilan tegangan mengacu pada kemampuan sistem tenaga untuk mempertahankan kestabilan tegangan pada semua bus dari sistem tenaga setelah mengalami gangguan. B. Kestabilan Transien Kestabilan transien yaitu kemampuan dari power system (sistem tenaga) untuk mempertahankan kesinkronan setelah mengalami gangguan besar yang bersifat tiba-tiba selama sekitar satu ayunan pertama. Kestabilan transien terjadi saat

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6

2

pengatur tegangan otomatis dan pengatur frekuensi belum bekerja [2]. Sudut Rotor (derajat)

Kasus 1 Kasus 2

adalah diesel yang berbahan bakar solar . dimana proses dalam pembangkitannya hanya membutuhkan waktu sesaat saja Stabilitas sistem transien dalam suatu pabrik juga ditentukan oleh peralatan kontrol dan mode governor yang ada di pabrik tersebut.

Kasus 3

IV. SIMULASI DAN ANALISIS A. Studi K asus Simulasi Kestabilan Transien Tabel. 1 Kasus dan deskripsi analisis kestabilan transien

No Kasus 1. 1GENoff 2. 1GENoff+LS

Waktu (s)

Gambar. 1 Respon sudut rotor terhadap gangguan transien [3]

a) Kasus 1, sudut rotor mengalami kenaikan hingga nilai maksimum kemudian berosilasi sehingga sudut rotor kembali mencapai kondisi stable [3]. b) Kasus 2, rotor kehilangan sinkronisasi sehingga saat ayunan pertama, sudut rotor terus naik mencapai kondisi unstable. Penyebab utama kasus 2 yaitu kurangnya sinkronisasi torsi [3]. c) Kasus 3, sistem tetap stable saat ayunan pertama namun pada kondisi akhir sistem menjadi unstable. Bentuk unstable kasus 3 umumnya terjadi saat kondisi postfault steady-state. C. Pelepasan Beban Pokok permasalahan dari pelepasan beban di suatu sistem adalah menentukan jumlah pelepasan beban, macam-macam beban yang dilepas untuk pertahapnya, frekuensi dimana akan dilepas, dan keterlambatan waktu yang direncanakan pada setiap pelepasan. Pelepasan beban bertujuan agar jumlah suplai daya dan permintaan beban dapat seimbang. Pelepasan beban dapat dilakukan dengan dua cara yaitu pelepasan beban secara manual dan pelepasan beban secara otomatis. III. SISTEM KELISTRIKAN PT. Badak NGL.

30PS-1

30PS-2

30PS-3

30PS-4

30PS-5

30PS-6

30PS-7

Keterangan Generator PG-13 outage dari sistem Generator PG-13 outage dari sistem dilanjutkan dengan Load Shedding Generator PG-13 dan PG-14 outage dari sistem Generator PG-13 dan PG-14 outage dari sistem dilanjutkan dengan Load Shedding Gangguan hubung singkat di bus 385 (0,48 kV) dilanjutkan dengan CB open saat 0,4 s setelah gangguan Gangguan hubung singkat di bus H1PS-72 (4.16 kV) dilanjutkan dengan CB open saat 0,4 s setelah gangguan Gangguan hubung singkat di bus 32PS74 (13.8 kV) dilanjutkan dengan CB open saat 0,4 s setelah gangguan CWP on (2 Motor Starting) (32GM-11 dan 32GM-12) (@3300 kW)

3. 2GENoff 4. 2GENoff+LS

5. SC1

6. SC2

7. SC3

8. MS

B. Simulasi Kestabilan Transien Generator Outage B.1 Studi Kasus 1GENoff Tabel. 2 Rekapitulasi frekuensi dan tegangan studi kasus 1GENoff Kasus

f min (%)

f steady state (%)

1GENoff

91,35

-

30PS-1

97,8

V steady state (%) 98,75

30PS-8

97,8

99,75

ID Bus

V min (%)

Kondisi f X

V √ √

30PS-8

Tabel. 3 Rekapitulasi sudut rotor studi kasus 1GENoff

Gambar. 2 Single line diagram PT. Badak NGL

PT Badak NGL memiliki kapasitas pembangkitan 12.5 MW sebanyak 13 unit. Selain itu 1 unit generator berkapasitas 5 MW tidak dioperasikan ketika sistem bekerja normal. Generator tersebut baru dioperasikan ketika pabrik mengalami black out start up. Generator PG-1 dipilih sebagai generator untuk black out start up karena start up generator tersebut cukup sebentar saja karena prime mover yang digunakan

Kasus

Sudut Rotor Awal (derajat)

Sudut Rotor Steady State (derajat)

1GENoff

4,64

6,85

Berdasarkan data dapat disimpulkan bahwa respon frekuensi, tegangan, dan sudut rotor kembali stabil namun belum memenuhi standar dari abnormal frequency. Menurut IEEE Std C37.106-2003, kondisi steady state frekuensi generator untuk steam turbine yang diperbolehkan yaitu antara 99,17% - 100,83%. Dengan respon frekuensi seperti ini maka sistem belum memenuhi standar frekuensi abnormal sehingga perlu dilakukan load shedding untuk memperbaiki respon sistem.

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6

3

Frekuensi (%)

B.2 Studi Kasus K OFF dengan Load Shedding

Waktu (s) Gambar. 3 Respon Frekuensi Saat 1 Generator Outage dari Sistem

Gambar 3 menunjukkan bahwa pelepasan beban pertama dilakukan saat frekuensi mencapai 97,9995% dari frekuensi normal atau sekitar 48,99975 Hz. Load shedding tahap 1 memerlukan delay 6 cycle atau 0,12 s. Persentase frekuensi sebesar 97,9995% dari kasus sebelum load shedding dicapai pada waktu 9,921 s. Waktu yang diperlukan untuk melakukan load shedding yaitu 9,921 + 0,12 = 10,041 s. Total beban yang dilepas sekitar 14% dari total beban PT. Badak NGL yaitu sebesar 13,64MW. Dari hasil load shedding frekuensi sistem telah memenuhi standar dan stabil pada 100% atau 50 Hz.

Gambar. 5 Respon Sudut Rotor Saat 1 Generator Outage dari Sistem Dilanjutkan dengan Mekanisme Load Shedding

Berdasarkan data setelah load shedding di atas dapat disimpulkan bahwa respon frekuensi kembali stabil dan telah memenuhi standar dari abnormal frequency. Standar respon tegangan dari sistem masih diizinkan karena berada dalam range -10% dan +5%. B.3 Rekapitulasi Studi Kasus Generator Outage Simulasi generator outage lainnya tidak banyak perbedaan dengan Kasus 1GENoff dan untuk selengkapnya dapat dilihat pada tabel rekapitulasi generator outage berikut ini:

Tegangan (%)

Tabel. 4 Rekapitulasi sudut rotor studi kasus generator outage

Waktu (s) Gambar. 4 Respon Tegangan Saat 1 Generator Outage dari Sistem Dilanjutkan dengan Mekanisme Load Shedding

Berdasarkan data tegangan setelah load shedding tahap 1, respon tegangan bus 30PS-1 dan 30PS-8 mengalami kedip tegangan (voltage sag) terendah dari ketiga bus mencapai nilai di 97,91% dari tegangan nominal pada detik 1,02s. Tegangan pada semua bus steady state pada 100%, tetapi pada bus 30PS1 pada 99,34%, dan 30PS-8 pada 99,80%. Untuk respon sudut rotor menunjukkan perubahan pada swing generator pada saat terjadi mekanisme pelepasan beban dengan sudut tertinggi sebesar 8.05o dan mengalami steady state pada 5,1o.

Kasus

Sudut Rotor Awal (derajat)

Sudut Rotor Steady State (derajat)

1GENoff

4,64

6,78

1GENoff+LS1

4,64

5,1

2GENoff

4,64

10

2GENoff+LS1

4,64

7

2GENoff+LS2

4,64

6,3

Tabel. 5 Rekapitulasi frekuensi dan tegangan kasus generator outage f V V stead stead V>10 f min ID min Kasus y y 0% (%) Bus (%) state state (%) (%) (%) 30PSX 97,91 98,68 1 91,35 91,35 30PSX 99,07 99,86 1GENoff 4 4 7 30PSX 97,91 99,69 8 100,2 30PS97,93 99,34 1 1 101,0 30PS1GENoff+ 97,99 100 99,24 100 3 LS 1 6 100,8 30PS99,08 100 7 5

Kond isi f

V √

X

√ √ √

√

√ √

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6

2GENoff

2GENoff+ LS 1

2GENoff+ LS 2

Kasus

28,98

49,68

98,16

f stead y state (%)

34

49,68

100

ID Bus 30PS1 30PS6 30PS8 30PS1 30PS6 30PS8 30PS1 30PS6 30PS8

V>10 0% (%)

V min (%)

V stead y state (%)

X

79,3

80

Kond isi f

V X

X X

79,2

80

X

X

77,76

79

X

X

95,41

97

√

X

96,36

97,5

X

93,34

94,73

√

100,68

95,41

99,11

√

100,9

96,36

99,83

X

93,34

97

Tabel. 6 Rekapitulasi beban load shedding Load Shedding Waktu (s) Beban (%)

X

√

√ Waktu (s) Gambar. 7 Respon Tegangan Saat Terjadi Gangguan Hubung Singkat di Bus 184, CB 307 dan 308 Bekerja pada 4,4 s

√ √

MW

1GENoff

Load Shedding 1

10,041

14

13,64

2GENoff

Load Shedding 1

2,081

14

13,64

Load Shedding 2

2.702

16,6

15,73

Total

Tegangan (%)

Kasus

f min (%)

4

29,37

Frekuensi (%)

C. Simulasi Kestabilan Transien Short Circuit C1. Studi Kasus SC1 Pada kasus SC1 disimulasikan sistem mengalami gangguan hubung singkat 3 fasa saat detik ke-1 pada bus 385 dengan rating tegangan 0,48 kV. CB 1127 open untuk mengatasi gangguan dan melindungi sistem.

Waktu (s) Gambar. 6 Respon Frekuensi Saat Terjadi Gangguan Hubung Singkat di Bus 385, CB 1127 Bekerja pada 1,4 s

Gambar 8 Respon Sudut Rotor Saat Terjadi Gangguan Hubung Singkat di Bus 184, CB 307 dan 308 Bekerja pada 4,4 s

Analisis yang dapat diambil yaitu: 1) Frekuensi Bus Pada gambar 6 menunjukkan bahwa hasil simulasi frekuensi sistem ketika terjadi kasus SC1. Frekuensi sistem mengalami penurunan hingga 99,95% saat detik ke 1,4 s karena CB open (t=1,4 s) untuk mengatasi gangguan. Frekuensi sistem yang menurun secara sementara diakibatkan oleh integrasi sistem ring yang besar. Setelah itu sistem mengalami kenaikan tertinggi hingga 100,057% saat detik ke 3,021 s. Frekuensi mencapai kondisi steady state pada 100% dari frekuensi nominal atau 50 Hz dengan durasi simulasi 50 detik. 2) Tegangan Bus Pada gambar 7 menunjukkan bahwa hasil simulasi tegangan saat kasus SC1. Kondisi tegangan saat terjadi gangguan, turun pada kondisi terendah pada bus 30PS-6 hingga 88,302% saat detik ke 4,101 s. Hasil simulasi tersebut terjadi karena arus hubung singkat yang besar mengalir dalam impedansi sistem sehingga kondisi tegangan menurun secara signifikan bergantung pada level tegangan titik gangguan. Setelah CB bekerja, seluruh bus utama mencapai kondisi steady state pada 100%, kecuali pada bus 30PS-1 pada 98,83% dari tegangan nominal. 3) Sudut Rotor Pada gambar 8 menunjukkan bahwa perubahan sudut rotor pada swing generator dari pada saat sebelum gangguan sebesar 4.64o, berosilasi dan mengalami steady state pada 4,5o.

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6 Berdasarkan data setelah simulasi di atas dapat disimpulkan bahwa respon frekuensi, tegangan, dan sudut rotor kembali stabil dan telah memenuhi standar dari abnormal frequency. Standar respon tegangan dari sistem masih diizinkan karena berada dalam range -10% dan +5% tanpa dilakukan mekanisme generator shedding.

Frekuensi (%)

5

C.2 Rekapitulasi Studi Kasus Short Circuit

SC 1

SC 2

SC 3

Ko ndi si

f

V

√ √ √

Waktu (s) Gambar 9 Respon Frekuensi Saat Terjadi Starting Motor 2x3300 kW

Gambar 9 menunjukkan bahwa sistem mengalami gangguan motor starting ketika detik ke-1 dengan lama simulasi 50 detik sehingga sistem mengalami penurunan frekuensi terendah mencapai 99,751% pada detik ke 1,761 s. Penurunan frekuensi terjadi karena daya elektrik lebih besar daripada daya mekanik. Sistem mencapai kondisi stabil pada frekuensi 100% dari frekuensi nominal atau 50 Hz.

√ √ √

√ √ √

Tegangan (%)

Kas us

Tabel. 7 Rekapitulasi frekuensi dan tegangan kasus short circuit f f V min f V V V max sete stea aw stead mi ma setel al lah dy y n ID Bus x ah ( CB stat state (% (%) SC % ope e (%) ) (%) ) n (%) (%) 8 BUS utama 10 88, 104, 100, 99,9 30PS-6 100 100 0 3 5 05 4 10 93, 104, 30PS-7 100 0 1 0 8 BUS utama 10 64, 109, 100, 99,8 30PS-7 100 100 0 8 7 34 3 10 83, 109, 30PS-8 100 0 7 8 8 BUS utama 10 107, 102, 98,9 30PS-7 0 100 100 0 8 02 9 10 58, 109, 30PS-8 100 0 72 22 Tabel. 8 Rekapitulasi sudut rotor kasus short circuit Kasus

Sudut Rotor Awal (derajat)

Sudut Rotor Steady State (derajat)

SC1

4,64

4,5

SC2

4,64

4,5

SC3

4,64

3,1

D. Simulasi Kestabilan Transien Motor Starting D.1 Studi Kasus MS Pada proses starting motor menyebabkan terjadinya drop tegangan secara cepat karena motor akan menarik arus dengan jumlah yang besar pada sistem. Apabila drop tegangan melewati batas standar yang diizinkan maka kestabilan sistem akan terganggu. Hal ini menyebabkan pentingnya dilakukan analisis terhadap proses penyalaan motor. Dalam kasus ini, motor dengan ID 32GM-11 dan 32GM-12 berkapasitas 3300 kW akan dinyalakan pada detik ke 1 saat 8 generator ON di sistem kelistrikan PT. Badak. Metode starting motor yang digunakan yaitu DOL (Direct On Line) sehingga event yang digunakan pada simulasi yaitu dengan menghubungkan switch ON (close) pada sistem.

Waktu (s) Gambar 10 Respon Tegangan Saat Terjadi Starting Motor 2x3300 kW

Berdasarkan data tegangan, respon tegangan bus 32PS-54 mengalami kedip tegangan (voltage sag) terendah mencapai nilai di 99,063% dari tegangan nominal pada detik 1,181 s. Kemudian respon tegangan mencapai kondisi steady state pada tegangan 100% dari tegangan nominal.

Gambar 11 Respon Sudut Rotor Saat Terjadi Starting Motor 2x3300 kW

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6 Gambar 11 menunjukkan bahwa perubahan sudut rotor pada swing generator dari pada saat sebelum gangguan sebesar 4.64o dan mengalami kenaikan hingga steady state pada 5,78o. Berdasarkan data simulasi dapat disimpulkan bahwa respon frekuensi, tegangan, dan sudut rotor kembali stabil dan telah memenuhi standar dari abnormal frequency. Standar respon tegangan dari sistem masih diizinkan karena berada dalam range -10% dan +5%.

V KESIMPULAN Dari 2 kasus lepasnya pembangkit sebelum dilakukan mekanisme load shedding menyebabkan kondisi yang dapat membahayakan sistem kelistrikan yaitu seluruh kasus menyebabkan underfrequency. Dari 3 kasus hubung singkat didapatkan bahwa seluruh kasus mengalami respon tegangan, frekuensi, dan sudut rotor tetap stabil dan masih dalam batas standar yang diizinkan sehingga sistem masih aman. PT. Badak NGL sangat handal dalam hal starting motor. Penyalaan motor 2x3300 kW secara direct saat 8 generator ON masih diizinkan karena tegangan dan frekuensi menurun namun masih dalam batas standar aman. DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3]

IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions, “Definition and Classification of Power System Stability”, IEEE Transactions on Power System , Vol. 19, No. 2, May 2004. Soeprijanto, Adi. “Desain Kontroller untuk Kestabilan Dinamik Sistem tenaga Listrik”. ITS Press, Surabaya, 2012. Kundur, Prabha, “Power System Stability and Control”, McGraw-Hill Companies Inc, 1994.

BIODATA PENULIS Muhammad Rizal Fauzy, dilahirkan di kota Semarang, Jawa Tengah pada 7 Juni 1991. Penulis adalah putra dari pasangan Mohamad Nasir dan Hasbiyah. Penulis memulai jenjang pendidikan di TK Aisiyah 48, kemudian melanjutkan pendidikan formal di SDN Kabluk 03-04 Semarang, SMP Nasima Semarang, dan SMAN 2 Semarang hingga lulus pada tahun 2009. Pada tahun 2009 penulis melanjutkan pendidikan ke jenjang perguruan tinggi di Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Selama kuliah, penulis aktif sebagai staf di Dfisi Kalpataru Elektro ITS. Penulis juga pernah aktif dalam kegiatan kepanitiaan seperti IEEE 2010, HCC 2010, dan LCEN 2012. Penulis dapat dihubungi melalui email [email protected].

6