PROSEDING SEMINAR TUGAS AKHIR TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS, JUNI 2012
1
Perhitungan Critical Clearing Time dengan Menggunakan Metode Time Domain Simulation Surya Atmaja, Dr. Eng. Ardyono Priyadi, ST, M.Eng, Ir.Teguh Yuwono Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]@ee.its.ac.id.
Abstrak— Kebutuhan energi di dunia makin lama ini semakin bertambah, tidak terkecuali dengan energi listrik. Energi listrik didapatkan dengan mengubah energi kinetik dari prime mover menjadi energi listrik oleh generator, dengan semakin banyaknya kebutuhan energi listrik maka harus dibuatlah generator lain agar kekurangan energi listrik dapat teratasi. Generator tersebut saling berhubungan secara paralel di dalam sistem. Adanya hubungan paralel membuat setiap generator harus bekerja sinkron satu dengan yang lainnya. Pada tugas akhir ini membahas cara menghitung Critical Clearing Time (CCT). CCT adalah waktu yang diijinkan untuk memutus gangguan agar generator tidak mengalami lepas sinkron. Metode yang dipakai adalah metode Time Domain Simulation dengan sebagai pedomannya adalah perubahan dari sudut rotor generator sewaktu terjadi gangguan dalam sistem, selain itu diamati juga mengenai adanya pengaruh damping dalam kestabilan sistem. Dari melakukan simulasi dengan menggunakan program MATLAB. Hasil dari simulasi ini menunjukkan bahwa adanya damping didalam sistem menyebabkan membuat lebih stabil sistem, sehingga nilai CCT antara sistem yang ber-damping dengan sistem yang tidak menggunakan damping memiliki nilai CCT yang lebih besar pada sistem yang menggunakan damping . Kata kunci: Critical Clearing Time (CCT), Time Domain Simulation, damping, Kestabilan sistem. .
I. PENDAHULUAN A. Latar Belakang Kebutuhan energi listrik semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pemanfaatan tenaga listrik pada rumah tangga, industri, dan lain lain. Untuk mengatasi hal tersebut, pasokan listrik harus ditambah, yakni dengan pembangunan pembangkit listrik baru. Dalam hal ini, sistem tenaga listrik terdiri dari beberapa pembangkit dengan kapasitas unit-unit pembangkit yang relatif besar dan terletak cukup berjauhan satu dengan yang lainnya. Sehingga sistem harus dijaga kestabilannya berdasarkan parameter kestabilan sudut rotor, kestabilan frekuensi, dan kestabilan tegangan. Dalam tugas akhir ini hanya membahas salah satu parameter kestabilan dalam sistem tenaga listrik, yaitu kestabilan sudut rotor. Stabilitas adalah kemampuan dari generator untuk mempertahankan sinkronisasi dan keseimbangan sistem. Keadaan sinkron merupakan keadaan dimana selisih daya mekanik dan daya elektrik dari generator sama dengan nol.
Ketika adanya pelepasan beban maupun adanya penambahan beban, selisih antara daya mekanik dan daya elektrik telah berubah. Hal ini menyebabkan adanya percepatan atau perlambatan rotor. Maka sudut rotor akan berubah, jika tidak segera diatasi akan menyebabkan adanya loss sinkron pada generator. Akibat adanya perubahan kondisi kerja dari sistem ini, maka keadaan sistem akan berubah dari keadaan lama ke keadaan baru. Periode singkat di antara kedua keadaan tersebut disebut periode paralihan atau transient. Stabilitas transient didasarkan pada kondisi kestabilan ayunan pertama (first swing) dengan periode waktu penyelidikan pada detik pertama terjadinya gangguan. Ketika ayunan pertama terjadi, keadaan kontrol (governor) masih belum bekerja, sehingga daya mekanik diasumsikan konstan. Oleh karena itu, diperlukan suatu analisa sistem tenaga listrik untuk menentukan kestabilan sistem tersebut pada saat terjadi gangguan, yaitu dengan menentukan “Critical Clearing Time” (CCT). Metode yang digunakan adalah “Time Domain Simulation”. B. Tujuan Tujuan yang hendak dicapai dalam tugas akhir ini adalah untuk mengetahui cara menggunakan metode Time Domain Simulation dalam menentukan kestabilan sistem, memperoleh besarnya nilai CCT, dan memperoleh perbandingan besarnya CCT di sistem yang menggunakan damping maupun yang tidak menggunakan damping. C. Batasan Masalah Permasalahan yang akan dibahas dalam Tugas Akhir ini adalah : 1. Bagaimana menggunakan Time Domain Simulation Method untuk menentukan kestabilan sistem tenaga listrik. 2. Menghitung besarnya CCT dalam sistem. 3. Membandingkan besarnya CCT di sistem yang menggunakan damping maupun yang tidak menggunakan damping II. KESTABILAN A. Pengertian Kestabilan Kestabilan adalah kemampuan dari suatu sistem tenaga listrik atau bagian komponennya untuk mempertahankan sinkronisasi dan keseimbangan dalam sistem. Jika kerja
PROSEDING SEMINAR TUGAS AKHIR TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS, JUNI 2012 generator tidak sinkron, maka generator akan lepas dari sistem. Kerja generator yang stabil dapat diamati dari selisih antara daya mekanis dengan daya elektris, idealnya dinamakan sinkron jika daya mekanis sama dengan daya elektris (selisihnya adalah nol). Jika terdapat keseimbangan antara daya mekanis pada prime mover dengan daya output listrik (beban listrik) pada sistem, maka dalam keadaan ini semua generator berputar pada kecepatan sinkron. B. Kestabilan Sudut Rotor Kestabilan sudut rotor adalah kemampuan dari mesin sinkron untuk mempertahankan kesinkronannya dengan cara menjaga keseimbangan antara torsi mekanik dengan torsi elektrik. Sistem tenaga listrik pada umumnya terdiri atas interkoneksi antara mesin-mesin sinkron. Pada operasi normal, mesin-mesin tersebut bekerja dalam keadaan sinkron, yaitu berusaha untuk saling mempertahankan frekuensi sinkron dan mempertahankan perbedaan sudut daya konstan antara masing-masing mesin. Karakteristik yang paling penting dalam kestabilan tenaga listrik adalah karakteristik hubungan daya dengan posisi rotor pada mesin sinkron. Hubungan tersebut merupakan hubungan yang non-linear. Kestabilan sudut dapat dibagi menjadi dua, yaitu: 1. Small Signal Stability Small Signal Stability adalah kemampuan dari suatu sistem tenaga listrik untuk mempertahankan sinkronisasi antara mesin-mesin dalam sistem sewaktu mengalami gangguan kecil. Gangguan tersebut disebabkan oleh perubahan kecil di pembangkit dan beban. 2. Transient Stability Kestabilan Transient adalah kemampuan dari sistem tenaga listrik mempertahankan sinkronisasinya setelah mengalami gangguan besar yang bersifat mendadak selama sekitar satu swing pertama dengan asumsi bahwa pengatur tegangan otomatis atau AVR dan Governor belum bekerja.
Gambar 1. Kurva Torsi Versus Sudut Rotor
Gambar 1. di atas merupakan gambar perubahan sudut rotor terhadap torsi poros. Saat mesin sinkron beroperasi sebagai motor (sudut rotor dan torsi positif), maka nilai torsi akan terus meningkat seiring dengan peningkatan sudut rotor sampai δR mencapai sudut 90 derajat, sebaliknya setelah δR mencapai sudut 90 derajat, maka nilai torsi akan menurun seiring dengan meningkatnya sudut rotor. Dari penjelasan tersebut, dapat dilihat bahwa jika torsi output yang dibutuhkan oleh suatu motor sinkron dinaikkan hingga nilai sudut
2
rotornya melebihi 90 derajat, maka akan dapat menimbulkan pole slip pada motor. Selama torsi beban tidak diturunkan hingga mencapai nilai di bawah pullout torque, maka motor akan tetap terus mengalami pole slip dan dapat lepas sinkronisasi dengan sistem suplai sehingga menjadi tidak stabil . Demikian pula untuk operasi generator, dengan menaikkan torsi input generator sampai sudut rotor mencapai nilai lebih dari 90 derajat, dengan asumsi beban listriknya konstan, dapat menyebabkan timbulnya pole slipping pada generator yang berakibat pada hilangnya kesinkronan generator terhadap sistem. Penjelasan di atas menunjukkan bahwa perubahan bertahap pada kondisi sistem dapat mempengaruhi sudut torsi, sehingga pendekatan untuk kondisi steady state akan selalu ada. Apabila di sistem terdapat perubahan mendadak pada salah satu atau lebih dari parameter pada persamaan torsi di atas maka akan dapat menyebabkan nilai steady state sudut rotor dapat melebihi 90 derajat dan nilai ayunan transien sudut rotornya melebihi 180 derajat. Jika hal tersebut terjadi dan sumber gangguan tidak segera dihilangkan maka berakibat pada hilangnya kesinkronan. Akan tetapi apabila nilai overshoot dari ayunan transien mesin tidak sempat melebihi 180 derajat maka mesin akan tetap dalam keadaan sinkron. Hanya saja sudut rotor mesin akan mengalami osilasi dengan tujuan untuk mengurangi ayunan yang terjadi hingga sudut rotor dapat berhenti pada nilai kurang dari 90 derajat. Osilasi sudut rotor yang terjadi akan diredam oleh beban-beban elektrik, beban mekanik serta rugi-rugi elektrik yang terdapat pada mesin dan sistem. Adanya perubahan sudut rotor mesin, membutuhkan juga perubahan kecepatan pada rotor. Sebagai contoh, jika kita mengasumsikan bahwa frekuensi medan stator konstan, maka kita perlu untuk setidaknya memperlambat sejenak rotor motor sinkron agar medan rotornya dapat tertinggal dari medan stator sehingga fluks celah udara (ΦR) meningkat. Rata-rata perubahan kecepatan rotor ditentukan oleh besarnya momen inersia dari rotor dan beban mekanis yang terkopel pada rotor. Beban mekanis yang dimaksud dapat berupa penggerak utama, beban, reduction gear, dan lain-lain. Mesin dengan inersia yang tinggi akan lebih cendurung untuk menjadi stabil ketika terjadi gangguan daripada mesin yang memiliki inersia rendah. C. Critical Clearing Time (CCT) Critical Clearing Time (CCT) adalah waktu yang diijinkan untuk memutus gangguan agar generator tidak mengalami lepas sinkron, atau dengan kata lain generator tetap sinkron jika tidak melebihi CCT dan akan lepas sinkron jika melebihi CCT. Kecenderungan sistem tenaga listrik adalah usaha untuk kembali ke keadaan semula seperti sewaktu sebelum adanya gangguan dengan membuat daya yang sama atau lebih besar dari daya yang disebabkan oleh gangguan yang disebut dengan stability. Jika dengan daya yang dikeluarkan sistem membuat semua generator tetap sinkron maka sistem tersebut dikatakan stabil. Dalam sistem ada waktu kritis atau di sebut dengan Critical Clearing Time (CCT).
PROSEDING SEMINAR TUGAS AKHIR TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS, JUNI 2012 III. METODOLOGI Dalam tugas akhir ini, simulasi program menggunakan alur seperti flowchart di bawah ini:
3
IV. ANALISA DAN SIMULASI A. Permodelan Sistem Sistem yang digunakan dalam perhitungan Critical Clearing Time (CCT) menggunakan sistem interkoneksi 500 kV Jawa Bali dan sistem 3 generator 9 bus Fouad dan Anderson. Dari kedua sistem tenaga listrik tersebut akan dibandingkan hasil perhitungan CCT dan hasil perhitungan yang dipengaruhi oleh adanya damping pada sistem. Perhitungan CCT didasarkan pada saluran yang mengalami gangguan, yaitu dengan menganalisa besarnya CCT yang didapatkan di setiap titik gangguan. Titik gangguan dipilih secara acak, pada sistem interkoneksi 500 kV Jawa-Bali terdapat 16 titik gangguan, dan pada sistem 3 generator 9 bus Fouad dan Anderson terdapat 9 titik gangguan. B. Sistem Interkoneksi 500 kV Jawa-Bali Sistem interkoneksi 500 kV Jawa Bali terdiri atas 23 bus dengan 28 saluran dan 8 pembangkit. Pembangkit-pembangkit yang terpasang antara lain pembangkit Suralaya, pembangkit Muaratawar, pembangkit Cirata, pembangkit Saguling, pembangkit Tanjungjati, pembangkit Gresik, pembangkit Paiton, dan Pembangkit Grati.
Gambar 2. Diagram alir Metode Time Domain Simulation
CCT dapat dicari dengan beberapa tahapan, yaitu dengan Load Flow dan persamaan ayunan COA. Pada Load Flow, hasil yang didapatkan adalah tegangan tiap bus. Kemudian dari tegangan di bus generator, didapatkan tegangan internal generator. Tegangan internal generator digunakan untuk mencari daya mekanik dan daya elektrik generator yang nantinya masuk ke rumusan ayunan COA dimana rumusan COA adalah:
M i i Pmi Pei
Mi PCOA Di i MT
i i Dimana : M i = Momen Inersia generator ke-i
i
= Kecepatan rotor generator ke-i
Pmi = Daya mekanik generator ke-i Pei = Daya elektrik generator ke-i
Dari rumusan COA didapatkan yang kemudian dihitung ke dalam Rumusan Runge Kutta untuk didapatkan hasil integrasi yang berupa . Kemudian diplot terhadap untuk memperoleh nilai CCT. Hasil analisa akan dibahas pada bab IV.
Gambar 3. Single line diagram sistem interkoneksi Jawa-Bali 500 kV
Semua parameter yang digunakan dalam simulasi pada Sistem interkoneksi 500 kV Jawa Bali terdapat pada tabel 1 dan tabel 2.
PROSEDING SEMINAR TUGAS AKHIR TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS, JUNI 2012 Tabel 1. Data Generator
BUS GEN
r
x
H
1 8 10 11 15 17 22 23
0 0 0 0 0 0 0 0
0,1418445 0,0498565 0,0982143 0,2820233 0,484295 0,1869112 0,156781 0,2630799
5,19 1,82 2,86 1,64 3,2 2,54 4,42 2,7552381
Gambar 5. Grafik delta terhadap waktu di titik A sistem menggunakan damping dengan CCT 0.173-0.174
Tabel 2. Data Saluran Sistem interkoneksi 500 kV Jawa-Bali
DARI
KE
r
x
1 1 2 3 4 4 5 5 5 6 6 8 9 10 11 12 13 14 14 14 15 16 16 18 19 20 21 22
2 4 5 4 5 18 7 8 11 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 20 16 17 23 19 20 21 22 23
0,000626496 0,006513273 0,013133324 0,001513179 0,001246422 0,000694176 0,004441880 0,006211600 0,004111380 0,001973648 0,005625600 0,002822059 0,002739960 0,001474728 0,001957800 0,006990980 0,013478000 0,013533920 0,015798560 0,009036120 0,037539629 0,001394680 0,003986382 0,014056000 0,015311000 0,010291000 0,010291000 0,004435823
0,007008768 0,062576324 0,146925792 0,016928309 0,011975010 0,006669298 0,042675400 0,059678000 0,045995040 0,018961840 0,054048000 0,027112954 0,026324191 0,014168458 0,021902400 0,067165900 0,129490000 0,151407360 0,151784800 0,086814600 0,360662304 0,013399400 0,044596656 0,157248000 0,171288000 0,115128000 0,115128000 0,049624661
1
/2Bc
0 0,005989820 0,003530571 0 0 0 0 0 0,004420973 0 0 0 0 0 0 0,006429135 0,012394812 0,003638261 0,003632219 0 0,008630669 0 0 0,015114437 0,016463941 0,011065927 0,011065927 0,004769846
1. Hasil Grafik Simulasi Nilai CCT didapatkan antara waktu stabil denganwaktu tidak stabil . Hal ini dapat di lihat pada gambar 4.
Gambar 6. Grafik delta terhadap waktu di titik A sistem tanpa damping dengan CCT 0.113-0.114
Gambar 7. Grafik omega terhadap waktu di titik A sistem stabil menggunakan damping dengan CCT 0.173-0.174
Gambar 8. Grafik omega terhadap waktu di titik A sistem tidak stabil menggunakan damping dengan CCT 0.173-0.174
Gambar 4. Grafik omega terhadap delta di titik A Gambar 9. Grafik omega terhadap waktu di titik A sistem stabil tanpa damping dengan CCT 0.113-0.114
4
PROSEDING SEMINAR TUGAS AKHIR TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS, JUNI 2012
5
Gambar 10. Grafik omega terhadap waktu di titik A sistem tidak stabil tanpa damping dengan CCT 0.113-0.114
Berdasarkan gambar 5 dan 6, hasil simulasi sistem JawaBali 500 kV didapatkan bahwa adanya damping dapat memperkecil perubahan dari sudut rotor pada setiap kenaikan waktu, sehingga lebih menstabilkan generator . Hal ini ditunjukkan dari lebih lamanya hasil CCT . Berdasarkan hasil simulasi, didapatkan bahwa pada sistem yang menggunakan damping, kecepatan setelah gangguan akan teredam, sehingga mempercepat menuju kestabilan. 2. Hasil CCT Semua Titik Simulasi dicoba pada titik yang lain sehingga didapatkan hasil seperti pada tabel 3 . Pada tabel 3 dapat dianalisa pada titik yang sama tetapi dengan kondisi yang berbeda yaitu dengan adanya pengaruh damping, bahwa nilai CCT yang didapatkan pada sistem yang menggunakan damping lebih lama dibandingkan dengan sistem yang tidak menggunakan damping.
Gambar 11. Single line diagram sistem 3 generator 9 bus
Semua parameter yang digunakan dalam simulasi pada Sistem 3 generator 9 bus terdapat pada tabel 4 dan tabel 5. Tabel 4. Data generator Sistem 3 generator 9 bus
BUS GEN
R
X
M
1 2 3
0 0 0
0.0608 0.1198 0.1813
0.1254 0.034 0.016
Tabel 5. Data saluran Sistem 3 generator 9 bus KE BUS R X
i. Tabel 3. Hasil perhitungan CCT Sistem Interkoneksi Jawa-Bali 500 kV SISTEM JAWA-BALI 500kV TITIK GANGGUAN
CCT DAMPING
A B C D E F G H I J K L M N O P
0.173-0.174 0.167-0.168 0.187-0.188 0.375-0.376 0.228-0.229 0.228-0.229 0.213-0.214 0.212-0.213 0.210-0.211 0.080-0.081 0.122-0.123 0.281-0.282 0.234-0.235 0.286-0.287 0.413-0.414 0.135-0.136
TANPA DAMPING 0.113-0.114 0.106-0.107 0.117-0.118 0.176-0.177 0.150-0.151 0.151-0.152 0.143-0.144 0.143-0.144 0.136-0.137 0.051-0.052 0.085-0.086 0.164-0.165 0.158-0.159 0.240-0.241 0.314-0.315 0.087-0.088
WAKTU SIMULASI DAMPING 324.305 323.859 323.886 323.179 324.293 322.94 323.883 323.842 324.276 323.767 324.568 323.986 324.13 324.592 323.544 324.042
TANPA DAMPING 327.336 323.256 323.431 323.177 323.354 323.462 323.728 323.651 323.556 323.725 323.807 323.504 323.197 323.478 323.606 323.405
DARI BUS 1 2 3 4 4 5 6 7 8
4 7 9 5 6 7 9 8 9
0 0 0 0.0100 0.0170 0.0320 0.0390 0.0085 0.0119
0.0576 0.0625 0.0586 0.0850 0.0920 0.1610 0.1700 0.0720 0.1008
0 0 0 0.0880 0.0790 0.1530 0.1790 0.0745 0.1045
1. Hasil Grafik Simulasi Hasil grafik sismulasi pada sistem 3 generator di titik A, seperti pada sistem Jawa-Bali,CCT didapat terdapat grafik stabil pada waktu stabil dan grafik tidak stabil pada waktu tidak stabil,seperti pada gambar 12.
Gambar 12. Grafik omega terhadap deltadi titik A
C. Sistem 3 generator 9 bus Sistem 3 Generator 9 Bus terdiri atas 9 bus dengan 9 saluran dan 3 pembangkit. Diambil 9 titk gangguan di salurannya secara acak.
1/2Bc
PROSEDING SEMINAR TUGAS AKHIR TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS, JUNI 2012
Gambar 13. Grafik delta terhadap waktu di titik A sistem menggunakan damping dengan CCT 0.572-0.573
6
generator 9 bus didapatkan bahwa adanya damping dapat memperkecil perubahan dari sudut rotor pada setiap kenaikan waktu, sehingga lebih menstabilkan generator . Hal ini ditunjukkan dari lebih lamanya hasil CCT . Berdasarkan hasil simulasi, didapatkan bahwa pada sistem yang menggunakan damping, kecepatan setelah gangguan akan teredam, sehingga mempercepat menuju kestabilan. 2. Hasil CCT Semua Titik Simulasi dicoba pada titik yang lain sehingga didapatkan hasil seperti pada tabel 6 . Pada tabel 6 dapat dianalisa pada titik yang sama tetapi dengan kondisi yang berbeda yaitu dengan adanya pengaruh damping, bahwa nilai CCT yang didapatkan pada sistem yang menggunakan damping lebih lama dibandingkan dengan sistem yang tidak menggunakan damping.
Gambar 14. Grafik delta terhadap waktu di titik A sistem tanpa damping dengan CCT 0.470-0.471 Tabel 6. Hasil perhitungan CCT Sistem 3 generator 9 bus SISTEM 3 GENERATOR 9 BUS TITIK GANGGUAN
Gambar 15. Grafik omega terhadap waktu di titik A sistem stabil menggunakan damping dengan CCT 0.572-0.573
Gambar 16. Grafik omega terhadap waktu di titik A sistem tidak stabil menggunakan damping dengan CCT 0.572-0.573
Gambar 17. Grafik omega terhadap waktu di titik A sistem stabil tanpa menggunakan damping dengan CCT 0.470-0.471
A B C D E F G H I
CCT DAMPING 0.572-0.573 0.266-0.267 0.352-0.353 0.500-0.501 0.498-0.499 0.291-0.292 0.291-0.292 0.362-0.363 0.362-0.363
TANPA DAMPING 0.470-0.471 0.233-0.234 0.274-0.275 0.417-0.418 0.416-0.417 0.254-0.255 0.257-0.258 0.282-0.283 0.265-0.266
WAKTU SIMULASI DAMPING
TANPA DAMPING
332.408 332.246 332.531 331.545 332.223 332.223 332.781 332.533 332.732
319.165 318.663 318.666 318.569 318.48 318.572 318.602 318.91 318.494
V. KESIMPULAN 1. Metode Time domain Simulation hanya bisa digunakan dengan cara trial error. Mencoba dengan mengubah besarnya waktu stabil dengan waktu tidak stabil. 2. Nilai CCT semakin besar bila sistem memiliki damping. Sistem Jawa Bali tanpa menggunakan damping titik A 0.113 S -0.114 S, sedangkan yang menggunakan damping CCT titik A 0.173 S -0.174 S, 3. Sistem Tenaga listrik akan semakin stabil bila sistem mempunyai damping, dilihat dari semakin lamanya CCT pada sistem berdamping dibanding sistem tidak menggunakan damping. DAFTAR PUSTAKA
Gambar 18. Grafik omega terhadap waktu di titik A sistem tidak stabil tanpa damping dengan CCT 0.470-0.471
Berdasarkan gambar 13 dan 14, hasil simulasi sistem 3
[1] Grainger, John J., dan Stevenson, William D Jr., “Power System Analysis,”Singapura, McGraw-Hill, Inc, 1994. [2] Saadat, Hadi., “Power System Analysis,” Singapura, McGraw-Hill, Inc, 2004, edisi kedua. [3] Zuhal, “Dasar Teknik Tenaga Listrik Dan Elektronika Daya,” Jakarta, PT Gramedia Pustaka Utama, 1995, edisi kelima. [4] Kimbark, Edward Wilson.” Power System Stability : Synchronous Machines”. Dover Publications, Inc, new York. 1956. [5] P. Kundur,” Power System Stability and Control,” McGraw Hill,1994.
