Vohme II
Na2
Tahun 2003
PERBAIKAN STABILITAS DINAMIK SISTEM TENAGA DENGAN STATIC SYNCHRONOUS SERTES COMPENSATOR (SSSC) Rakhmad Syafutra Lubis Fakultas Teknik Junxan Elektro Universitas Syiah Kuala Jl. Syech AMurrauf No T.Darussalam-Banda Aceh 231 II Telp 0(5 t-54336; 51977
Fax.065l-52222
ABSTB4K
dikopling. d.engan transformator, dan dihubung seri
Penggunaan pengendali SSSC cukup luas dimana
ini digqrnakkan untuk memperbaiki dinamik pada sistem tenaga. plant yang dikendalikan berupa sistem tenaqa - srnsle_maihrie infi(ty-bus (SI\m) dan sistem m-uttime"sin dengan jumlah generator tiga unit. SSSC difunesikan sebiai pengganti pengendali konvensional yarrg aipqgun"fin untuk menetukan sinyal kendali ke sistem eksitasi, medan dan gbnerator. , dala.1 nefrg]itia1 stabilita-s..
r
pengujian menunjukkan bahwa pengendali
^^_Iurilmemberikan redaman yang SSSC lebih- baik ailyainS,f{n dengan pengendali too"*rionul fi; terlihat dari penurunan overshoot dan settling_timi.
Besarnya persentase penurunan overshoot birkisar antara l6,8}yo-23,25yo pada osilasi sudut torsi.
settling-time berkisar antara gt,lg%_ f9ryrynan 86,36yo. Untuk sistem tiga-generefor, besarnya
persentase penurunan ov,ershoot berkisar antara g,27o/o_
l2,80yo pada sudut torsi, 4,OO%-S2,lgyo untuk perubahan tegangan terminal, dan ll,5T\o_l4,4Tyo
untuk perubahan kecepatan rotor. penurunan setiling_ time pada tanggapan tegangan terminal berkisar.antara s0,00%-62,82yo.
Ka-takunci : SSSC, Stabilitas Dinamik, Model phillipsHeffron 1. PENDAHULUAN
Masalah yang selalu muncul pada sistem
tenaga salah satunya adalah masalah dinamika dan stabilitas sistem terhadap gangguan. Gangguan pada sistem dapat menimb_ulkan
osiliii
terhadap parameter_. parameter sistenl sepe'ft1*egangan, frekuensi, dan daya.
Sementara, kebutuhan sistem menghendaki igar
parameter-parameter tersebut bernilai tetap pada suatu titik operasi tertentu. Karena itu, permasalairan dalam stabilitas. sistem tenaga adalah bagaimana agar osilasi
yang.terjadi akibat gangguan tersebut dapat
lengan Jg:ngan transmisi. SSSC menginjeksikan
tegangan AC yang harlpir sinusoidal dan ma-gnltudenva variabbl. Tegangan injeksi ini hampir quadraiur denean
jaringan Tegangnn surnbu quadrirtu. diinj"[ri[;; 9"Hul^ arys jaringan dan mengemulasi reaktansi arus
mduldlt atau _.kapasitif sedemikian sehingga memepengaruhi_aliran daya dalam jaringan tr*rriiri dp [4]. quna mengerahui kinerja pengendali LIJ ,
oltjT$l(T. pengujian dengan perubahan ret-erensi" beban dan mode osilasi. Efektifitas
pengendali SSSC unruk -"rnp"rUuitoi sisrem teriasq t"rh"d;tiG;
gif.lk
;;k
tegangan
p"iioi_
stabilitas
fi;;;;;l'il dilakukan dengan mengamati thggapan sistem
perubahan sudut torsi, tegangan Ja'n ^kecepatan iaaa rotor. Pada penelitian ini, dilakukan penambahan kendali
Proportional-Integral-Diferential' (pD) sebagai pengendali tambahan dan meninjau aipek Liniar Optimal Control dari sistem. Disamping itu penelitian perbaikan stabilitas dinamik sistem Ienaga dengan SSSC belum dilakukan.
l.l.
Sistem Tenaga SMIB
Gambar l. menunjukkan sistem tenaga SMIB dengan SSSC, dengan series coupling trinsformer
(SCT), realdansi bocor Xr"., GTO tiga.fase berbasis wltage source converter, (VSC) dan kapasitor dc. Diagram pasor gambar 2 menunjukkan perinsip dasar operasi SSSC, dimana level kompinsasi dapat dikendalikan secara dinamis dengan merubah magnitude dari V nv . SSSC efektif meredarp osilasi sistem tenaga
jika dilengkapi pengendali peredam l,tamping {enga1 controller) Seperti sintesis bentuk gelombaig puli width-modulation (pWM), rasio modulasi magnitude PWM, m, dapat mengatur sinyal kendali guna memperoleh variasi dinamis dari kompensasi SSSC.
secepat
mungkin kembali stabil Dalanr perkembanga n fI e xi b le AC trqns m i s siotr
,,-stem^t (FACTS), salah satu perangkat perintis dan
merupakan metode alternatif dalam penilaan sinyal adalah Statrc Synchronous Seribs Compe.nsator
!^q14i (SSSC) atau .Senes STATCOM [l] dan t4l. SSSC adalah solid-state inverter sumbei tegangan yang membangkitkan sumber tegangan AC terkendali
Jurnal
Re
kayasa Ele ktr i ka
van|
39
Volume
II No.2 Tahun 2003
v, -+
a
Ir
Vs6s .v ,*,
lrs
Vr
-
->
I.2.
Sistem Tenaga Multi-Mesin
Secara umum tanpa rugi-rugi dimisalkan bahwa dalam sistem tenaga n-mesin SSSC dipaqang pada jaringan transmisi airtara node I dan 2,"p"rt-I
ditunjukkan oleh gambai
<-m
3 dan di
sana tidak ada
peralatan ylog dipasang dalam hal pertimbangan, 3{tif yang lain dalam sistem tenaga.
-tt
G2
LT
External P.over Sozrce ' (Energy Stotagit)
i"l
"L : tt
l.
Gambar
Gl
1",
t_t V
r,
I
f,, v",
g,z
Sistem Daya'SMIB dengan SSSC J
.r,r
_ Il wv'
INY
'jxnrl t
jxo.Its
Gambar 3. Sistem Tenaga n-mesin yang Dipasang SSSC
SSSC
dalam mode
induktif
SSSC
dal*,
mode
papsitif
Gambar 2. Diagram Pasor dari Operasi SSSC Berdasarkan pers. (7) dinyatakan sebagai
It
[2]
=Ioo+
Dapat juga dimisalkan bahwa dengan memilih cabang
dari node
I
dan 2,, matriks admitansi
jaringan Yr
seperti ditunjukkan gambar 3 adalah:
dalam aplikasi ini SSSC dapat
jlss=Iule
o Y,"TZ, [-r*I [7', o y,, Trrll I
l-rrrl=l L i- J LV", Y,, T""JLV*J
Vuv = mkVo"(cosry+.i siny)= mkVn"/.ry, Q*V=90' (3)
dengan
on=*
dt dengan
y
=
fV,1
V, l=y,lVrl LV"j
'.
t-
4Q
oocosrpl+ 1oo sinqa)
Co"= Co"
1ry
Ye=Vd
Vsz
Dari gambar 3 diperoleh
k adalah rasio antara tegangan inverter ac dan
dc. Dari rangkaian sistem tenaga gambar
I diperoleh
per$amaan
V,
=
j(ro+.xsB +.rscr)i,s +V,u, +V
_
t,
= tol on + lpo
,
-xol
\
i -_ ;
Vr-Vz-VNy Vr-Vz-Vwv. ./(r,, + xzs * xscr) ir" (4)
"
oo) dengan menyelesaikan bagian real dan imaginer untuk
Substitusi pers. (4) ke dalam pers. (3) untuk menghapus f-
zzf dipe,olet (, -1r
sistem SMIB dapat diperoftirlq-
t- =[0""
+ mkVo"cost/r Io, _Vosin6 r,s*x-rr ]-xscr*xc
I,sa
:
dengan, eq
:
v;
mkV*siny "', -Vocos,l _rLs +,r{s + xecr + xd
-60 - ro\oo
:ffi "'u
;
r_ (2)
+ [Y"r
-F,,
t
v",Jv;,[+f:]
Irlt,i
v",lv;i,l
lr,* t-t L Jxzl
Ie=FyYr+FoVrw
(5)
a
40
Junn I Re kap sa
E le ktr i lca
Volume
Y"' '
Dengan
*l- -J- I
[t,,
LE'n = K4Ad,
II No.2
Tahun 2003
+Krdd''n *Ko6"LVa" +Kq^Lnx (11.c)
=f {" v,,:'t ixo i*,l t
LV, =Yir66 +KulJ''o +Ku*LVo" +K_,Lm
I
(l l.d)
Tegangan termina! generator dapat,juga dinyatakan dalam koordinat umurrt
i
yaitu
,
A,&auLa
til-'-'
,
n1^i" -,r('n - *;,[o.' {o) Dari persamaan (5) dan (6) diperoleh : _ i I" = C" lPi (7) tl + tro cov wv '-' 'l--,"r(*n Ll-r', dengan , C" =Ft' +'j*il'; dan do =Frl-Fo,
V" =,,rci.
: . L(fuM,t(-ATr:;;dr)
Model dinamik linearisasi n-mesin sistem tenaga
|
Afrro =(-Ar" -Koav,IfA-r ez) I '' i ::,,1 dengan': d : sudud ritor iP- : ddyamasukan rnekanik ke generator I
!
I
,...
.-..
.t4" : dayakelual-an elektris dari generator
lci = lsierd' = f -"* ViPo'*6'-6,)E'oo (s) Ei
Ei
* b::_' th'ttuoi'u'>r ;, +d11F e'o'li ^r
Kn:gandanAvR at, r,f. outif *i*.oo
.
dengan ::e s,* =,Cs,pei{k, dan do* memakai pers.
(l)
1r, = Re(i,
:
Coo"lrf
;
maka pers. (8) menjadi
)=tc*rlk=l
*6* - ,*\
E,*sin6*,
= Im(i, ) =
*6ro
- th\
*,ra*
ia"-L
pers. (9)
AIs = YqL6 +F;nf'" +GoLVo"+HoNn (10 a)
:
VdLA +FoLB,'o +GoLVo" +HoLm
(I0)\-dalam
-x,r!r,
pers.
(l)
=
*tno(Xa
- (X, -
=X'r'LIO;
AVrp
000
X',
|
|
ffi
00
-
KrAt +K.AE| +K
LE LV
ro o"
1
Am
Lu,
(13)
Tc
(13) merupakan diagram blok fungsi alih simulasi n-mesin yang berbasis pada linearisasi
Persamaan
LE'n-X'DLID
oa"LVa"
-l
0 0 0 0 0
a' co
-T;)Ar"
1l
000
dan sistem n-
)nlr;
0l
{,fi{ +fn -tfit o -ildrfr. -Mr{-T& o -Tft Tn' tTo-K. -'T"\'fIiK 0 i{kil{ -f -rfiqo" -TIiIfrI r*^ 40 K0-4 A4
Phillips-Heflron model [5].
+ KrAEo + K nLV* + K *oLm (1 l.a)
+K o Lm (11.b)
Ju r na I Re kayasa E Ie ktr i ka
dan (12) diperoleh model sistem n-
(lo.b)
dapat diperoleh
AA
l)
+E;
AEo = AE;
L4" =K7Ad
AVR
oJ
LlqB'ro +IroAE'n
+Arn(*n AYr,
: konstanta waktu dari
mesin dengan SSSC.
didapat
ATE
Z,
Dari persamaan (t
,5w-6k $i*Fs,,.
Substitusi pers.
Zro : konstanta waktu transien
rrsind,o, +CoomkV*sindool
=V,/*5,* frao+ Fo,.Linearisasi
mesin [5]
:
O : kecepatan rotor D : koefisien peredaman M inersia mesin
k=l
dengan
AI, -
-:: r : kgluaran tendati aari A,y+-,
p
n'rr
(e b)
danSoo
tegangan eksitasiiansien
Eo : teganganeksitasi
oocosd*" + CoomkVncosd'no] (e'a)
10,
:
Metode Objective Function berbasis
searching
algorithm untuk mendisain kendali peredam SSSC [61. Dengan rnemilih sepasang peubah, AS r,Lal, , persamaan (13) dapat disusun menjadi bentuk berikut yang dapat ditulis sebagai [7]
4l
I
kblume II No.2 Tahun 2003
VflLl ;,rrftl.hkl" t,=fc,, c,,
[m.l
c,,llmi,l ttool L*,
.]
Kontribusi torsi elektris dari pengendali peredam SSSC untuk lup osilasi elektromekanik dari generator ke-j adalah
(1
2,
dengan
sistem tenaga.
+
**or)
or,.I'(?.Lr,,
ttu
Krr!)=
+ .Lr,,
)
2. METODE PENELITIAIY
sesuai
Pembuatan program, yaitu program untuk
- Aits}t*r, + B j2 e6.c)
cr.("r-A;:3f'*r,
Qn)=b, -
4Y
'perhitungan parameter pengendali dan parameter model simulink
(16.d)
objektif sederhana dari setting;parameter 11(s) yaitu
Penyusunan model simulink sistem pengendali SSSC pada'sistem SMIB dan multi-m e sin (tiga-generator)
(r7)
Solusi minimum fungsi objektif H = H' untuk memindahkan 2, O" dapat diperoleh dengan
Pengujian kinerja pengendali SSSC
J
st4e scent sear c hing dlgori thrn
Hk*r=Ho-stxVl(n) s/
Aualisis hasil simulasi
1rs)
dengan adalah panjang penelusuran optimum satudimensi dan
v.r(H k)=z(t,
-
,)h
untuk koefisien peredaman Dr^ adalah S = 0 7, 0D pr , dari persamaan (l 5) dapat , f diperoleh
Kesimpulan
(le)
Jika didefinisikan sensitifitas mode osilasi 2,
42
4 ^Ho:ka%W
Pembuatan model matematik, yaitu model sistem tenaga SMIB dan multi-mesin yang meliputi sistem kendalinya, serta perhitungan parameter stabilitas dinamik
Jika target posisi mode osilasi dituju oleh pengendali peredam SSSC yaitrt ,1], suatu fungsi
steepe
K,;(1,)x,r('t;)
"'
(16.b)
K,,.G)= Arrr(sr
-
diagram alir pada gambar 4.
(?r,,*r,")
cr, (sr -
an,
jalan penelitian untuk menyelesaikan masalah
- Arrr'[^r,
K,(s)=
!1,_=i
Secara garis besar tahap-tahap penelitian atau
t+i-a
+ A,,(sr
=
5)
adalah mode osilasi yang diinginkan dalarn
K(s)=
u!,
dimana ini rnerirp.kan perumusan untuk setting -[]ll alih pengendali peredam SSSC sesuai denga-n mo-de osilasi pada posisi tatgd. I
K o(tr,)x,.(t)n(1,,)
=ffiLtr=Droaat,
A.,1 LTr,r _
selanjutnya
SELESAI Gambar 4. Diagram
Alir Penelitian
Data sistem tenaga SMIB dan multi-mesin yang diambil dari jurnal Static Synchronous Series Compensator to Damp Power System Oscillations [6]. a. Sistem tenaga SMIB
Ju r na I Re kayasa E le ktr i lm
Volume
. H =3,0s; TL=5,044 s ; D=4,0 xa=1,0; x'o =0,3; xo=0,6
Eksitasi
:
K
;
4
= 0,01
Pengendali SSSC
Ca: =1,0 ; Vno =1,0 Kondisi u*"1 ;l P",o = 0;8 ; V,o = b. Sistem tenaga tifa.geperator
= -1,5917 + j10,3217 artificial'dampingDes:35. : , ;
Vto = 1.0
adanya ganggual berupa pengujian dengan perubahan beban yang disiniulasikan dengan, mernberikan masukan berupa unit step sebesar perubahan yang diinginkan pada torsi mekaniknya.
:
D3 ='60?0 ; 'V!' -7,5i,'g ; ,, T[u, +,:i15 s ; Tjor=4lr7s , xar=0J9 ' t )Qiz=i0i19- ; '; xrri- = gaiI,',; ',*"* '= xo, = 9163 ;, ; .1tr,63,,'
a,1!3i, ';':vi1,-:+g4g76j" ,';
xLt = 0;076;5
;
x2u,t,brll3,,' ,' ' ., . ,, Eksitasir : : Kn=lKur=Knr=100 .; T,qu =7,a, =7,n.- 0,0i:s Jaringan &beban,Tor= jl,O ;7n= j0,2 ; 7r, = i0,3 7r, =7r, = j0,03 ; Lt =1.07 +il.0
130 .e. i 2b
'gil € iro ,
Er e roo
.8,. eo tq '.
.E
so
o
,8,.Zo
t
60
o
'
: xscr = 0,15 ; Zc =0,055 s Coc =1,0 ;Vn, =l,Q
Pengendali SSSC
Kondisi awal Vt,o =Vz,o
:
P,r"o =
=1.0 ;
Vrro
0,8 ;
Prr"o
= 0,6
:
.5
.10
15
20
Waktu (detik)
Gambar 6. Cnafik Tanggapan Sisteir Terhadap Kenaikan Beban Sebesar 0,2 pu
B. Sistem Tenaga Tiga-Generator
j2,2769,
Mode
osilasi 2 = -0,785I+ dengan artificial damping Des: 120. Hasil pengukuran diambil dari bsilasi antar-area yaitu antara Gr dan G. 95
=I,010"
90
Untuk meneliti perbaikan stabilitas dinamik dengan
.q 6s
SSSC dilakukan simulasi dengan komputer pribadi (pentium), dengan program dan simulink dari Matlab
980
versi 6.0.
a470
Diagram satu garis sistem tenaga dengan tiga-generator ditunjukkan pada gambar 5.
'n
EE5 o
cEuo 55
{ "* '-s.
3
50 10
Waktu (detik)
CE
Gambar 5. Sistem Tenaga Tiga-Generator
Jurnal
Re kal,asa Ele
hri ka
,
Tanggapan sistem pengendalf SSSC terhadap
s
, ,furr= 20i09' s- ' ; :Hz = 20,09 s ;Fr = 11,8 s i D,',=,l'o$l ,',; Dr,=o,Q '
=
)"
'
Generator
i4
Sistem tenaga SMIB
Mode osilasi
; xr, =0,3 xscr = 0,15 ; Zc = 0,055
:
A.
.s
^,t10,0 Janngan &beban;14,:0,3
2003
3. EASIL
Generator
,
II No.2 Tahm
43
Volume
II No.2 Tahm 2003 yang besar seperti hubung singkat. Berkaitan dengan itu perlunya pengujian penerapan pengendali SSSC bila terjadi hubung singkat tak simetris yang mana ha! itu berkaitan dengan stabilitas transien.
o
Perlunya dilanjutkan penelitian pengendali SSSC bila diterapkan pada sistem multi-mesin dengan jumlah
ol o
generator yang, 'lebih banyalg untuk mengCtahui efektifitas dan efisiensinya, apakah perlu modifikasi
F
!
0.95
o il
pengendali SSSC; variasi formasi penempatannya, atbu perlunya kombinasi dengan menambah pengendali jenis lain.
0-9
r
10. {ektu (detikl
KESIMPULAN l
I,
Berdasarkan hasil yang telah diperoleh dari simuiasi terhadap berbagaijenis pengujian dapat disimpulkan : :Penerapan pengendali SSSC untuk memperbaiki
4
l.
stabilitas dinamik pada sistem SI\flB .dapat
o2
d
memberikan unjuk kqja peredarnan yang lebih baik jlka,dibandingffi ,,dengan pengendali konvcnsional. Perbaikan unjuk ke.rja terlihrit, ldari penurunan overshoot dan settling-time pada pengujian
o O r: Y .O a.
perubahan tegangan referensi,
t:r *"*,J
o".oo ls
20
Gambar 7. Crrafik Tanggapan Sistem TerhadapKenaikan Beban Sebesar 0,2 pu
2.
keda sistem dibandingkan konvensional.
Tanggapan sistem terhadap pbngujian perubahan
pengendali
Hasil penurunan overshoot pada
ketiga jenis pengujian bervariasi antara 8,27yol2,80yo untuk perubahan sudut torsi, 4,00yo52,I8yo untuk perubahan tegangan terminal, ll,52Yo-14,42o/o untuk perubahan kecepatan rotor. Perbaikan settling-time tegangan terminal berkisar
perbaikan settling-time dari 18.5 detik menjadi 2,8 detik (terjadi pengurangan sebesar 84,86yo). Tanggapan sistem terhadap pengujian perubahan beban ditunjukkan pada gambar 7. Overshoot pada sudut torsi dapat diturunkan dari 90.87 menjadi 81,21, sehingga terjadi penurunan sebesar I0,63Vo, dan
antar a 5 0,00Yo - 62,82oh.
Referensi
Gyugyi, C.D. Schauter, and K.K Sen, 1997, [] L. *Stotic Synchronous Series Compensqtor : A Solid-Snte
Approach
to the
Series Compensation of
fraramissiott
tl.68vo
Linef',IEEE Transactions on Porver Delivery, Vol. 12, No. I, pp 406-417. 4. DISKUSI
Hasil pengujian menunjukkan bahuz tanggapan pengendali SSSC memberikan unjuk kerja yang lebih baik dibanding pengendali konvensional yang terlihat dari pengurangan overshoot dan settlinglime. Kestabilan sistem dipengaruhi oleh gangguan kecil seperti perubahan beban yang dinamis dan gangguan 44
81,18%0-86,36yo.
Unjuk kerja pengendali SSSC pada sistem tenaga tiga-generator memperlihatkan perbaikan unjuk
beban ditunjukkan pada gambar 6. Overshoot pada sudut torsi dapat diturunkan dari 138,3 menjadi lll,7, sehingga terjadi penurunan sebesar 19,23yo, dan
perbaikan settling-time dari 7,6 detik menjadi 3,2 detik (terjadi pengurangan sebesar 57,89yo). Overshoot pada tegangan tenninal dapat diturunkan dari 0,I198 nenjadi 0,0593, sehingga terjadi penurunan sebesar 50,50Yo, dan perbaikan settling-tfmgdari 7,7 detik menjadi 3,6 detik (terjadi pengurangan sebesar 53,25%). Overshoot pada kecepatan rotor dapat diturunkan dari 0,0035-96 menjadi 0,003176, sehingga terjadi penurunan sebesar
perub4han
pembebanan dan perubahan mode osilasi. Hasil pen-urunan overshoot pada jenis pengujian tersebut bervariasi antara I 6,80yo-23,25yo untuk perubahan sudut torsi. Perbaikan settling-time berkiiar antara
[2]
L.S. Kumar. A. Ghostr. 1999."Static Synchronous
Ser ie s Compensator-Desi gn, Control and Application", Electric Power Systems Research, Vol.49, pp. 139-148. [3] E.V. Larsen, and D.A. Swann, 1981, Applying Power System Stabilizer, Part I-II|',IEEE T-PAS
100, pp.30l7-3046.
*,SS.SC Static Synchronous Series [4] K.K Sen, 1998,
Ju rno I Re kayosa E le ktr
i
ka
F|"-r I
I I
Volume
I,
II No.2 Talun
2003
i
\
furwl Rekalns Elelarika
45
