Mahasiswa Pascasarjana, Jurusan Teknik Elektro, FTI-ITS 2

Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi VII Program Studi MMT-ITS, Surabaya 2 Pebruari 2008

PERBAIKAN MANAJEMEN SISTEM TENAGA LISTRIK 500 kV JAWA-BALI: PENURUNAN RUGI-RUGI DAYA DAN PERBAIKAN KESTABILAN SISTEM MELALUI PEMASANGAN KAPASITOR SERI PADA JARINGAN Sonong1, Adi Soeprijanto2 Mahasiswa Pascasarjana, Jurusan Teknik Elektro, FTI-ITS 2 Dosen Teknik Elektro, FTI-ITS Kampus ITS, Sukolilo Surabaya 60111, INDONESIA Telp : (031)5947302, Fax (031)5931237 email : [email protected], [email protected]

1

ABSTRAK Sistem transmisi yang sangat panjang sering kali kehilangan sinkronisasinya serta mengalami kerugian daya saluran setelah terjadi gangguan. Pengurangan reaktansi seri dari transmisi yang dilakukan dengan kompensator seri pada saluran, memungkinkan dapat memperbaiki efek negatif ini. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis, pengaruh penggunaan kapasitor seri terhadap stabilitas transien dan kerugian daya dalam sistem tenaga listrik akibat gangguan hubung singkat. Dari hasil simulasi melalui program MATLAB, diperoleh bahwa kapsitor seri dapat menurunkan rugi-rugi daya dan meningkatkan kestabilan transien sistem yang diindikasikan dengan terdapatnya korelasi positif antara level kompensasi dengan memanjangnya waktu kritis pembukaan CB. Dari simulasi ini diperoleh hasil sebagai barikut: Jika sistem tidak menggunakan kompensator, maka rugi-rugi daya nyata 147.69 MW, rugi-rugi daya reaktif 1346,92 MVAR, dan waktu pemutusan kritisnya 0,11344 detik. Ketika sistem diberi kompensator 50%, rugi-rugi daya nyata 139,163 MW, rugi-rugi daya reaktif 670,144 MVAR, mengalami penurunan, dan pemutusan keritisnya 0,14504 detik, mengalami kenaikan. Seterusnya sistem diberi kompensator 70%, rugi-rugi daya nyata turun menjadi 128,354 MW, sedangkan daya reaktifnya turun menjadi 419,766 MVAR, sementara pemutusan kritisnya mengalami kenaikan menjadi 0.1496 detik. Sebagai plan dalam simulasi ini, digunakan transmisi sistem tenaga listrik Jawa-Bali. Kata kunci: Rugi daya, kestabilan sistem, kompensator seri, simulasi Matlab

PENDAHULUAN Pada mulanya, sistem tenaga listrik hanya terdiri dari suatu pembangkitan tenaga listrik yang digunakan untuk menyuplai sistem distribusi lokal. Seiring perkembangan teknologi, penyebaran kelompok beban serta pusat-pusat pembangkit dihubungkan dengan sistem transmisi tegangan tinggi. Cara ini, sangat dimungkinkan untuk menyalurkan daya listrik dalam jumlah yang besar dengan jarak yang jauh, sehingga membuat sistem tenaga listrik lebih ekonomis, praktis, dan handal. Kemampuan penyaluran daya dari suatu sistem transmisi tenaga listrik biasanya bergantung pada stabilitas transien dari sistem tersebut. Beberapa jenis gangguan yang biasa terjadi pada sistem tenaga listrik, seperti hubung singkat, seringkali mengganggu stabilitas sistem. Kompensasi seri dalam sistem tenaga memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kemampuan sistem dalam mempertahankan stabilitasnya setelah mengalami gangguan, sehingga mampu meningkatkan kehandalan sistem tenaga listrik tersebut.


METODA Stabilitas transien dapat didefinisikan sebagai daya maksimum yang dapat ditransmisikan pada suatu titik tanpa hilangnya sinkronisasi ketika gangguan muncul secara tiba-tiba. Gangguan transien bisa berupa kenaikan beban yang besar secara tibatiba. Namun seringkali analisis stabilitas transien pada sistem tenaga lebih mengacu pada gangguan yang disebabkan oleh hubung singkat pada sistem [2]. Studi terhadap stabilitas transien sistem tenaga memberikan informasi yang berhubungan dengan kemampuan dari suatu sistem tenaga untuk tetap berada dalam kondisi sinkron setelah sistem mengalami gangguan. Derajat stabilitas dari suatu sistem tenaga merupakan faktor penting untuk merencanakan suatu sistem transmisi tenaga listrik dalam rangka mempertahankan kehandalan pelayanan kelistrikan [4].

Gambar 1. Sistem Two-Machines Sederhana

Kapasitor seri mengurangi reaktansi total dari saluran transmisi, yang merupakan alasan utama digunakannya kompensasi seri pada suatu saluran transmisi. Hal ini dapat memperbaiki stabilitas sistem, mengurangi rugi-rugi reaktif, serta memperbaiki regulasi tegangan dari saluran transmisi. Aliran daya di sepanjang saluran transmisi sebanding dengan selisih sudut daya dan berbanding terbalik dengan magnitud dari reaktansi. Konsep dasar ini seperti terlihat pada Gambar 1 dengan magnitud tegangan V1 dan sudut δ1 pada bus 1 dan magnitud tegangan V2 dan sudut δ2 pada bus 2, dengan mengabaikan rugi-rugi yang disebabkan oleh resistansi saluran. Jika magnitud tegangan pada masing-masing bus tetap, maka daya aktif yang mengalir pada saluran adalah, V1 V 2 P (1) sin  1   2  XL  XC dengan XL adalah reaktansi saluran transmisi.Sesuai persamaan (2.1), reaktansi saluran membatasi transfer daya pada sistem. Tetapi harga dari XL dapat dikurangi dengan cara menambahkan kapasitansi pada saluran untuk meningkatkan transfer daya pada saluran. Langkah-langkah dari perancangan dan pembuatan simulasi serta proses jalannya simulasi yang digunakan untuk analisis, dimulai dengan mengumpulkan data yang ada di lapangan, diantaranya adalah data saluran dan data bus sebagai data untuk studi aliran daya dan data-data mekanis Generator sebagai data untuk menggambarkan kurva sudut daya Generator.Pengumpulan data di lapangan dilakukan agar simulasi mendekati kondisi riil di lapangan. Urutan dari langkah-langkah ini adalah sebagai berikut: 1. Pengumpalan data bus dan saluran serta data mekanis dari masing-masing Generator yang terhubung dengan sistem tenaga listrik Jawa-Bali 2. Studi aliran daya menggunakan metode Newton Rhapson 3. Simulasi hubung singkat 3-phasa pada salah satu bus yang memutuskan saluran pada sistem untuk mengisolir gangguan 4. Analisis stabilitas transien sistem dengan melihat kurva sudut daya Generator 5. Aplikasi kompensasi seri pada sistem tenaga listrik Jawa-Bali 500 kV 6. Mengulangi langkah 2, 3, dan 4

ISBN : 978-979-99735-4-2 A-5-2


7. Membandingkan stabilitas transien dari kurva sudut daya Generator sebelum dan sesudah aplikasi kompensasi seri Persamaan untuk sistem multimesin hampir sama dengan persamaan untuk single-me sin, langkah pertama dalam analisis stabilitas transien dalam sistem multimesin ialah studi aliran daya sistem untuk mengetahui magnitud dan sudut fase tegangan pada masing-masing bus. Arus yang mengalir dalam mesin sebelum terjadi gangguan dihitung dengan persamaan, S * P  jQ Ii  i*  i * i i=1,2,…,m (2) Vi Vi Jika m adalah indeks untuk Generator. Vi adalah tegangan terminal Generator ke-i, Pi dan Qi adalah daya aktif dan reaktif Generator. Resistansi jangkar Generator biasanya diabaikan, kemudian tegangan dibelakang reaktansi transien Generator didapatkan dengan, E’i  Vi  jX ' d I i (3) Langkah selanjutnya, semua beban diubah menjadi admitansi ekivalen dengan persamaan, S* P  jQ yio  i 2  i 2 i (4) Vi Vi Untuk memperhitungkan tegangan dibelakang reaktansi transien Generator, bus baru sebanyak m buah ditambahkan kedalam sistem dengan bus sebanyak n buah. Node n+1, n+2,…, n+m adalah bus internal mesin, yaitu bus di belakang reaktansi transien. Persamaan node tegangan dengan node 0 (ground) sebagai referensi, maka matriks bus untuk sistem menjadi,  I1   Y11  I   Y  2   21          I n    Yn1  I n 1   Yn 11          I  Yn  m1  nm  



Y1n

Y1n 1





Y2n

Y2n 1













Ynn

Ynn 1



 Yn 1n 



Yn 1n 1  



 Yn  mn Yn  mn 1 

Y1n  m  V1  Y2n  m  V2          Ynn  m  Vn  Yn 1n  m  E'n 1        Yn  mn  m E'n  m 

(5)

Atau, Ibus  Ybus  Vbus (6) Jika Ibus adalah vektor arus bus injeksi dan Vbus adalah vektor bus tegangan diukur dari node referensi. Elemen diagonal dari matriks bus admitansi adalah penjumlahan dari admitansi-admitansi yang terhubung dengan bus yang bersangkutan, dan elemen offdiagonalnya sama dengan negatif dari admitansi antar node. Matriks bus diatas hampir sama dengan matriks bus yang digunakan dalam studi aliran daya, hanya yang membedakan adalah penambahan node tegangan mesin, serta elemen diagonalnya yang dimodifikasi dengan penambahan admitansi beban. Untuk memudahkan analisis, semua node selain node internal Generator dieliminasi. Untuk mengeliminasi bus beban, matiks bus admitansi pada (3.4) dipartisi sedemikian hingga bus sebanyak n buah yang akan dihilangkan adalah n buah baris pada bagian atas matriks. Karena tidak ada arus yang masuk ataupun keluar bus beban, maka arus pada n baris sama dengan nol. Arus Generator dinotasikan dengan Im. Tegangan Generator dan beban dinotasikan dengan E’m dan Vn. Sehingga persamaan (3.4) dalam submatriksnya menjadi,

ISBN : 978-979-99735-4-2 A-5-3


 0   Ynn Ynm   Vn  I    Y t    m   nm Ymm  E' m  Vektor tegangan Vn dieliminasi dengan substitusi, 0  Ynn Vn  Ynm E' m Im  Y Vn  Ymm E' m Dari (3.7), 1 Vn  Ynn Ynm E' m Substitusi (3.9) terhadap (3.8), didapatkan, t Im  Ymm  Ynm Ynn1 Ynm E' m t nm



(7)

(8) (9) (10)



red (11)  Ybus E' m Jika matriks admitansi yang telah direduksi, 1 t red  Ymm  Ynm Ynn Ynm (12) Ybus Matriks admitansi yang telah direduksi berdimensi (m x m), dengan m adalah jumlah Generator yang terhubung dengan sistem. Maka daya keluaran elektris dari masingmasing mesin sekarang dapat direpresentasikan dengan menggunakan tegangan internal Generator, Pei   E '*i I i (13)





m

Sedangkan, Ii   E 'j Yij

(14)

j i

tegangan dan admitansi dalam bentuk polar, jika disubstitusikan terhadap Ii pada (3.12), hasilnya adalah,

Pei   E ' i E ' j Yij cos ij   i   j  m

(15)

j 1

Sebelum terjadinya gangguan, daya input mekanis Generator dan daya output elektris Generator adalah sama. Studi terhadap stabilitas transien klasik didasarkan pada gangguan tiga fasa simetris. Suatu gangguan tiga fasa simetris pada bus ke-k pada sistem akan menyebabkan tegangan pada bus ke-k sama dengan nol, yaitu Vk = 0, sehingga dilakukan modifikasi matriks bus admitansi reduksi sistem untuk menyesuaikan terhadap gangguan tersebut, yaitu dengan menghilangkan baris dan kolom ke-k pada matriks bus bus admitansi sebelum terjadinya gangguan. Matriks bus admitansi yang baru direduksi dengan mengeliminasi semua node, kecuali node internal Generator. Tegangan eksitasi Generator selama terjadinya gangguan dan sesudah terjadinya gangguan diasumsikan konstan. Hubungan antara daya elektris dari Generator ke-i dengan matriks bus admitansi yang baru sesudah direduksi didapatkan dari (3.14). Sehingga persamaan ayunan untuk Generator ke-i adalah, Mi

d 2  Pmi  dt 2

 E'

i

E' j Yij cosij  i   j 

(16)

Jika Yij adalah elemen dari matriks bus admitansi yang baru sesudah direduksi, dan, Hi Mi  (17) f0 Pemilihan saluran yang akan dipasang kapasitor seri sebagai kompensasi pada sistem multimachine Tenaga Listrik Jawa Bali 500 kV didasarkan atas jarak saluran. Karena semakin panjang jarak saluran, maka akan semakin besar pula reaktansi saluran, sehingga semakin besar jumlah daya yang hilang dalam proses penyalurannya dari pusat

ISBN : 978-979-99735-4-2 A-5-4


pembangkit ke pusat beban. Oleh karena itu, pemasangan kapasitor seri sebagai kompensasi pada saluran akan lebih dapat dirasakan manfaatnya. Selain pertimbangan jarak saluran, pemasangan kompensasi seri juga dilakukan pada saluran-saluran yang pada kondisi awal (initial condition), yaitu dari hasil studi aliran daya, sedang menghantarkan daya yang relatif besar, karena semakin besar daya yang disaluran, semakin besar arus yang mengalir didalam saluran tersebut. Sehingga dengan mengaplikasikan kapasitor seri sebagai kompensasi pada saluran tersebut, maka rugirugi daya pada saluran-saluran tersebut dapat dikurangi, sehingga aliran daya pada saluran-saluran tersebut dapat ditingkatkan. Sistem multimachine seperti Sistem Tenaga Listrik Jawa-Bali 500 kV merupakan sistem yang kompleks, karena setiap Generator yang berada dalam sistem tersebut saling mempengaruhi, sehingga untuk menganalisis stabilitas transien sistem multimachine dilakukan dengan melihat kurva ayunan dari Generator-generator yang terdapat didalam sistem Tabel 1. Data Generator Sistem Tenaga Listrik 500 kV Jawa-Bali (PLN P2B, 2006)

Bus Generator 1 8 10 11 15 17 22 23

Nama Generator Suralaya Muara Tawar Cirata Saguling Tanjung Jati Gresik Paiton Grati

MVA Nominal 4185,00 3095,76 1120,00 824,40 1692,46 1426,00 4330,92 1155,00

X’d (pu) 0,14184 0,04986 0,09821 0,28202 0,48430 0,18691 0,15678 0,26308

Momen Inertia (H) (pu) 5,19 1,82 2,86 1,64 3,20 2,54 4,42 2,76

HASIL DAN DISKUSI Sistem Tanpa Kompensasi Untuk analisis stabilitas transien sistem, maka pada sistem tersebut disimulasikan gangguan hubung singkat tiga fasa simetris pada bus Gandul yang memutuskan saluran Suralaya-Gandul. Pada saat sebelum terjadi gangguan, yaitu dari hasil studi aliran daya, saluran ini sedang menyalurkan daya sebesar 1.521,793 MW. Sehingga jika terjadi hubung singkat pada bus Cilegon, akan mengalir arus hubung singkat yang besar pada saluran ini. Pemutusan saluran Suralaya-Gandul akan menyebabkan daya sebesar 1.521,793 MW yang sebelumnya ditanggung oleh saluran Suralaya-Gandul, akan dialirkan melalui saluran Suralaya-Cilegon. Harga reaktansi yang semakin besar yang dirasakan oleh Generator Suralaya karena hilangnya saluran paralel Suralaya-Gandul, serta semakin besarnya aliran daya yang harus dialirkan oleh saluran Suralaya-Cilegon, maka pada kondisi tersebut, Generator Suralaya sebagai swing bus akan beresiko untuk mengalami hilangnya sinkronisasi dari sistem, atau yang biasa disebut sebagai fenomena out of synchrone. Gambar 2 menunjukkan kurva ayunan masing-masing Generator terhadap Generator Suralaya sebagai referensi. Gangguan terjadi selama 0,11344 detik, dan gangguan dihilangkan dengan memutuskan saluran yang mengalami gangguan. Pada kondisi ini, seperti terlihat pada Gambar 2, perbedaan sudut phasa Generator-generator yang berada jauh dari Generator Suralaya seperti Generator Paiton, Gresik, dan Tanjung Jati terlihat mulai menunjukkan kondisi kehilangan sinkronisasinya terhadap Generator Suralaya sebagai referensi pada detik ke 0,43. yang pada akhirnya

ISBN : 978-979-99735-4-2 A-5-5


mulai memisahkan diri dengan membentuk kelompok sudut daya yang baru antara Generator-generator tersebut dengan selisih sudut daya yang sangat besar. Pada kondisi ini, sistem dikatakan telah kehilangan sinkronisasinya. Phase angle difference (fault cleared at 0.11344s)

5

2

x 10

Muara Tawar Cirata Saguling Tanjung Jati Gresik Paiton

0

Delta, degree

-2

-4

-6

-8

-10

0

2

4

6

8

10 t, sec

12

14

16

18

20

Gambar 2. Kurva Sudut Daya Generator kompensasi 0 %, sistem tidak stabil, waktu pemutusan CB 0,11344 detik (Simulasi Matlab, 2007)

Sistem Ketika Kompensasinya 50% Gambar 3 menunjukkan kurva ayunan masing-masing Generator terhadap Generator Suralaya sebagai referensi. Gangguan yang terjadi pada sistem selama 0,14504 detik, dan gangguan dihilangkan dengan memutuskan saluran yang mengalami gangguan. Pada kondisi ini, seperti terlihat pada Gambar 3, sistem mampu bertahan terhadap gangguan yang terjadi pada sistem. Hal ini dapat dilihat pada kurva selisih sudut daya masing-masing Generator yang semakin membesar, namun dapat mempertahankan sinkronisasi terhadap Generator Suralaya. Jika kompensasi pada saluran sebesar 50%, sistem sanggup bertahan terhadap gangguan selama 0,14504 detik. Phase angle difference (fault cleared at 0.14504s)

150


100

Delta, degree

50

0

-50

-100

-150

0

2

4

6

8

10 t, sec

12

14

16

18

20

Gambar 3 Kurva Sudut Daya Generator, kompensasi 50%, sistem stabil, waktu pemutusan CB 0,14504 detik (Simulasi Matlab, 2007)

Sistem Ketika Kompensasinya 70% Pada kompensasi 70% dengan gangguan selama 0,14504 detik, tidak terlihat perbedaan yang signifikan dari stabilitas transien sistem dengan kompensasi 50%. Namun perbedaan tersebut akan terlihat jika gangguan yang terjadi pada sistem berlangsung selama 0,14505 detik. Jika sistem dengan kompensasi 50% akan mulai menunjukkan gejala hilangnya sinkronisasi dengan gangguan selama 0,14505 detik, namun sistem dengan kompensasi 70% masih dapat mempertahankan sinkronisasinya. Gambar 4, menun-jukkan kestabilan transien sistem dengan gangguan selama 0,14962

ISBN : 978-979-99735-4-2 A-5-6


detik. Hal ini menunjukkan bahwa kompensasi seri pada saluran dapat membuat sistem bertahan terhadap gangguan yang terjadi di dalam sistem dengan durasi gangguan yang relatif lebih lama, sehingga memberikan waktu yang lebih lama bagi Circuit Breaker (CB) untuk bekerja sebelum batas kestabilan transien sistem tercapai. Phase angle difference (fault cleared at 0.14962s)

200


150

Delta, degree

100 50 0 -50 -100 -150

0

2

4

6

8

10 t, sec

12

14

16

18

20

Gambar 4. Kurva Sudut Daya Generator, kompensasi 70%, sistem stabil, waktu pemutusan CB 0,14962 detik (Simulasi Matlab, 2007)

Pada Tabel 2 dan Gambar 5 memperlihatkan hubungan antara rugi-rugi daya dengan nilai kompensator. Semakin besar nilai kompensator yang terpasang semakin kecil pula rugi-rugi daya yang dihasilkan. Rugi-rugi daya nyata maupun reaktif jika dikonversi ke dalam KWH dikalikan 1000. Jika asumsi harga listrik Rp500,-/KWH, maka cukup besar biaya PLN bisa ditekan yang dapat dialihkan sebagai biaya bahan bakar dan lain-lain. Tabel 2. Rugi-rugi Daya dengan Persen Kompensator (Simulasi Matlab, 2007)

Kompensasi Rugi-rugi Generator Beban ( %) MW MVAR MW MVAR MW MVAR 0 147,690 1.346,920 9.068,00 3.558,00 9.215,690 5.351,920 50 139,163 670,144 9.068,00 3.558,00 9.207,163 4.675,144 70 128,354 419,766 9.068,00 3.558,00 9.216,354 4.424,766

1,600

Daya (MW/MVAR)

1,400 1,200 1,000 Rugi-rugi MW

800

Rugi-rugi MVAR 600 400 200 0 0

50

70

Kompens ator (% )

Gambar 5. Grafik Rugi-rugi Daya dengan Persen Kompensator (Tabel 3.2, 2007)

ISBN : 978-979-99735-4-2 A-5-7


KESIMPULAN Dari hasil simulasi dalam penulisan makalah ini, dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Kapasitor sebagai kompensasi seri pada sistem tenaga listrik dapat meningkatkan kemampuan transfer daya pada sistem karena reaktansi saluran berkurang. 2. Dari studi aliran daya, kompensasi seri bisa menekan rugi-rugi daya pada saluran. 3. Penggunaan kapasitor seri sebagai kompensasi mampu meningkatkan stabilitas transien pada suatu sistem tenaga listrik. 4. Karena sistem yang terkompensasi mampu bertahan terhadap gangguan yang terjadi, maka hal ini memberikan waktu yang relatif lebih lama bagi circuit breaker (CB) untuk bekerja mengisolir gangguan. DAFTAR PUSTAKA [1]

E. W. Kimbark, Power System Stability, Vol I, New York: John Wiley & Sons Inc., 1948.

[2]

William D. Stevenson Jr., Elements of Power System Analysis, New York: Mcgraw-Hill, 1982.

[3]

Hadi Saadat, Power System Analysis, Mcgraw-Hill Inc., 1999.

[4]

P. M. Anderson & R. G. Farmer, Series Compensation of Power System, California: PBLSH Inc., 1996.

[5]

E. W. Kimbark, Improvement of System Stability by Switched Series Capa- citors, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. 85, No. 2, February 1966, pp. 180-188.

[6]

Otto J. M. Smith, Power System Transient Control by Capacitor Switching, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol 88, No. 1, January 1969, pp. 28-35.

[7]

Prabha Kundur, 1994, “Power System Stability and Control”, McGraw Hill, Inc, Hal. 255-269.

[8]

Prabha Kundur, 1994, “Power System Stability and Control”, Mc Graw Hill, Inc, Hal 990-1000

ISBN : 978-979-99735-4-2 A-5-8


ISBN : 978-979-99735-4-2 A-5-9


ISBN : 978-979-99735-4-2 A-5-10

Mahasiswa Pascasarjana, Jurusan Teknik Elektro, FTI-ITS 2

Recommend Documents