STUDI STABILTAS TRANSIEN DI PT PERTAMINA UP IV CILACAP AKIBAT PENAMBAHAN PABRIK BARU Ulil Amri Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya - 60111 Abstrak : Pertamina UP IV Cilacap adalah sistem yang sangat besar dan kompleks. Sistem disuplai dari 8 (delapan) unit generator, yaitu 4 unit generator dengan kapasitas 8 MW, 4 unit generator dengan kapasitas 20 MW. Pembangkit mempunyai tegangan 13.8 kV, sedangkan beban umumnya pada tegangan 3.45 kV dan 0.4 kV. Pendistribusian daya listrik dari Bus pembangkit ke beban pada substation - substation mengunakan transformator dari 13.8kV/3.45 kV. Sistem kelistrikan eksisting UP IV disuplai 8 Generator dengan total daya rating generator 112 MW. Sedangkan konsumsi daya listrik sekitar 69 MW. Dengan adanya penambahan pabrik baru dibutuhkan analisis kestabilan transien agar mengetahui kestabilan sistem dan performansi load shedding jika terjadi suatu gangguan sistem tenaga listrik, misalnya tripnya generator, beban mati dan hubung singkat. Pada makalah ini akan dianalisis Kestabilan transien sistem kelistrikan PT Pertamina UP IV Cilacap Kata Kunci : Kestabilan transien, Load Shedding I. PENDAHULUAN Dalam keadaan operasi yang stabil dari sistem tenaga listrik, terdapat keseimbangan antara daya input mekanis pada prime mover dengan daya output listrik (beban lsitrik) pada sistem. Dalam keadaan ini semua generator berputar dalam keadaan sinkron. Jika terjadi suatu gangguan, maka sesaat akan terjadi perbedaan yang besar antara daya input mekanis dan daya output listrik dari generator. Kelebihan daya input mekanis mengakibatkan percepatan pada putaran rotor generator dan sebaliknya. Bila gangguan tidak dihilangkan dengan segera, maka percepatan atau perlambatan putaran rotor generator akan mengakibatkan hilangnya sinkronisasi dalam sistem. Stabilitas sistem tenaga listrik dapat didefinisikan sebagai kemampuan suatu sistem tenaga listrik atau bagian komponennya untuk mempertahankan sinkronisasi dan keseimbangan dalam sistem. Batas stabilitas sistem adalah daya meksimum yang dapat mengalir melalui suatu titik dalam sistem tanpa menyebabkan hilangnya stabilitas II. KESTABILAN TRANSIEN DAN PELEPASAN BEBAN 2.1 Definisi Kestabilan Kemampuan dari suatu sistem tenaga, yang terdapat dua atau lebih mesin sinkron di dalamnya, untuk mempertahankan pengoperasian setelah terjadi perubahan pada sistem dapat diukur dari tingkat kestabilannya.
Permasalahan yang menarik dan sering dialami oleh sistem kelistrikan terutama di industri adalah saat sistem tenaga yang beroperasi pada keadaan mantap (steady) mengalami gangguan sehingga menyebabkan ketidaksinkronan sudut tegangan dari mesin sinkron. Jika terjadi ketidakseimbangan antara pembangkit dan beban, akan menghasilkan sebuah kondisi operasi yang mantap yang baru melalui pencocokan kembali sudut tegangan. Gangguan ini dapat berupa lepasnya sebuah generator, hubung singkat, lepasnya saluran atau kombinasi . Dapat juga berupa beban kecil atau perubahan beban acak selama kondisi operasi normal
2.2 Kestabilan Tenaga Listrik Gangguan transien selalu mengikuti sebuah gangguan sistem yaitu osilasi pada kondisi normal, tetapi jika sistem stabil osilasi akan teredam. Osilasi mencerminkan adanya aliran daya pada suatu saluran transmisi. Jika pada suatu saluran interkoneksi pada dua grup mesin terjadi fluktuasi, mungkin peralatan proteksi akan bekerja dengan memutus kedua grup mesin tersebut. hal ini adalah merupakan peramasalahan stabillitas jaringan ikat (antar pembangkit). Berdasarkan sifat dan besarnya gangguannya, masalah stabilitas dalam sistem tenaga listrik dibedakan atas, stabilitas steady state, stabilitas transient, dan stabilitas dinamis. • Stabilitas steady state adalah kemampuan dari suatu sistem tenaga mempertahankan sinkronisasi antara mesin-mesin dalam sistem setelah mengalami gangguan kecil. • Stabiltas transient adalah kemampuan dari suatu sistem tenaga mempertahankan sinkronisasi setelah mengalami gangguan besar yang bersifat mendadak selama sekitar satu “swing” (yang pertama) dengan asumsi bahwa pengatur teganngan otomatis (AVR) dan governor belum bekerja. • Stabilitas dinamik terjadi bila setelah swing pertama (periode stabilitas transient) sistem belum mampu mempertahankan sinkronisasi sampai sistem mencapai keadaan seimbang yang baru Dalam keadaan operasi yang stabil dari sistem tenaga listrik, terdapat keseimbangan antara daya input mekanis pada prime mover dengan daya output listrik (beban listrik) pada sistem. Dalam keadaan ini semua generator berputar pada kecepatan sinkron. Jika terjadi gangguan, maka sesaat akan terjadi perbedaan yang besar antara daya input mekanis dan daya output listrik dari
Proseding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
Halaman 1 dari 6
generator. Kelebihan daya mekanis terhadap daya listrik mengakibatkan percepatan pada putaran rotor generator atau sebaliknya. Bila gangguan ini tidak dihilangkan dengan segera, maka percepatan atau perlambatan putaran rotor generator akan mengakibatkan hilangnya sinkronisasi dalam sistem
sebesar FC dan akan melakukan pelepasan beban tingkat ke dua. Frekwensi (Hertz)
2.3 Dinamika Rotor Dan Persamaan Ayunan Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu mesin serempak didasarkan pada prinsip dasar dinamika yang menyatakan bahwa momen putar percepatan (accellerating torque) adalah hasil kali dari momen-momen kelembaman (moment of inertia) rotor dan percepatan sudutnya. Dalam sistem unit-unit MKS dan untuk generator serempak, persamaan ini dapat ditulis dalam bentuk: J
d 2 m = Ta = Tm – Te dt 2
N-m
A
FO FE
G ∆F 2 3
FB FC
1
E
F
B D C
(2.1)
2.4 Stabilitas Transien Kestabilan transien merupakan kemampuan sistem tenaga untuk mencapai kondisi stabil operasi baru yang dapat diterima setelah sistem mengalami gangguan besar.Studi kestabilan transien diperlukan untuk memastikan kemampuan sistem untuk bisa menahan kondisis transien
2.5 Gangguan Terhadap Stabilitas 2.5.1 Gangguan Hubung Singkat Gangguan hubung singkat dapat menyebabkan tegangan di daerah gangguan menih besjadi bernilai nol,hal ini dapat menyebabkan Pm lebih besar dari nilai Pe yang mengakibatkan percepatan rotor generator 2.5.2 Starting Motor Arus yang besar pada saat starting motor dengan power factor yang rendah menyebabkan terjadinya drop tegangan pada sistem tenaga listrik. Besarnya arus tersebut juga menyebabkan rugi-rugi daya aktif pada saluran bertambah besar sehingga dapat menurunkan frekuensi dari generator. Start motor induksi yang besar menyebabkan penurunan atau drop tegangan yang terjadi pada sistem tenaga listrik. Drop tegangan ini terjadi karena besarnya arus pada saat start motor yang melewati impedansi seperti trafo, saluran transmisi dan lain lain 2.5.3 Penambahan Beban Secara Tiba tiba Penambahan beban pada suatu sistem tenaga listrik dapat mengakibatkan timbulnya gangguan peralihan Jika beban dinaikkan sampai terjadi osilasi, sehingga menyebabkan sistem mengalami ayunan yang melebihi titik kritis yang tidak dapat kembali seperti semula 2.6 Sistem Pengoperasian Load Shedding Dalam gambar 2.1 dimisalkan bahwa frekuensi menurun menurut garis 2. Setelah mencapai titik B dilakukan pelepasan beban tingkat pertama oleh Under Frekuensi Relay (UFR) yang bekerja setelah mendeteksi frekuensi sebesar FB. Dengan adanya pelepasan beban tingkat pertama maka penurunan frekuensi berkurang kecepatannya, sampai di titik C UFR mendeteksi frekuensi
0
tA
tB
tC
tD tE
tF tG
Gambar2.1. perubahan frekuensi sebagai fungsi waktu dengan adanya pelepasan beban
Setelah pelepasan beban tingkat kedua frekuensi sistem tidak lagi menurun tapi menunjukkan gejala yang baik yaitu naik kembali menuju titik D. Naiknya frekuensi dari titik C menuju titik D disebabkan karena daya yang masih tersedia dalam sistem adalah lebih besar daripada beban setelah mengalami pelepasan beban tingkat kedua. Mulai dari titik D, yaitu setelah proses tersebut di atas berlangsung selama TD. Governor unit-unit pembangkit dalam sistem mulai melakukan pengaturan primer. TD berkisar sekitar 4 detik. Periode sebelum governor melakukan pengaturan primer disebut periode transien dan ini berlangsung selama kira-kira 4 detik. Setelah governor melakukan pengaturan primer maka frekuensi mencapai titik FE yaitu kondisi pada titik E. Kemampuan governor melakukan pengaturan primer sangat tergantung kepada besarnya spinning reserve yang masih tersedia dalam sistem. Seandainya unit-unit pembangkit yang masuk (paralel) keadaan sistem mempunyai kemampuan pembangkitan 100 MW tetapi bebannya baru 70 MW maka dikatakan bahwa spinning reserve masih 10070 = 30 MW. Setelah mencapai titik E masih ada deviasi frekuensi sebesar F terhadap frekuensi yang diinginkan yaitu Fo dan deviasi ini dikoreksi dengan pengaturan sekunder yang dimulai pada titik F dan frekuensi menjadi normal kembali pada titik G. III. SISTEM KELISTRIKAN PT PERTAMINA UP IV CILACAP Sistem kelistrikan di Unit Pengolahan IV Pertamina Cilacap merupakan sistem kelistrikan yang cukup besar dan kompleks. Sistem kelistrikan di UP IV PT.Pertamina ditunjang oleh 8 pembangkit besar dengan kapasitas yang juga sangat besar yaitu 4 unit pembangkit dengan kapasitas 8 MW dan 4 unit pembangkit dengan
Proseding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
Halaman 2 dari 6
Waktu (detik)
IV. SIMULASI DAN ANALISA 4.1 Total pembangkitan dan beban PT UP IV Cilacap Tabel 4.1 Total Pembangkitan dan beban PT Pertamina UP IV Cilacap MW
Mvar
MVA
% PF
Swing Bus(es):
12.020
5.963
13.417
89.58 Lagging
Generators:
57.100
31.877
65.396
87.31 Lagging
Total Demand:
69.120
37.840
78.800
87.71 Lagging
Total Motor Load:
60.653
29.087
67.267
90.16 Lagging
8.122
6.088
0.344
2.666
0
0
Total Static Load: Apparent Losses: System Mismatch:
Total pembangkitan di Pertamina UP IV Cilacap sebesar 78,804 MVA dengan power faktor 87,71 % lagging terdiri dari Generator yang dioperasikan swing sebesar 13,329 MVA power faktor 89.43 % lagging dan Generator yang dioperasikan sebagai Voltage control sebesar 65,486 MVA dengan power faktor 87,35 % lagging. Sedangkan untuk beban ,total beban motor yang ada di Pertamina UP IV Cilcap sebesar 60.653 MW dan total beban statis yang ada sebesar 8.122 MW 4.2 Kasus dan Konfigurasi Tabel 4.2 Kasus Kasus
TS Case 1
TS Case 2 TS Case 3
TS Case 3a
TS Case 4 TS Case 5
Keterangan Semua Generator ON, Gen 051G102 (20 MW) Trip Semua beban (termasuk boiler dan tangki baru) ON Operasi Normal, Gen 051G102 ( 20 MW) Trip Semua beban (Termasuk boiler dan tangki baru ) ON Generator 051G103 dan 51G201 "OFF " Gen 051G102 Trip Generator 051G103 dan 51G201 "OFF " Gen 051G102 Trip , pelepasan bebas / load shedding Gangguan Hubung Singkat di Bus 3.45 kV Saat Generator 051G103 dan 51G201 "OFF" Starting motor 260K101BM Saat Generator 051G103 dan 51G201 "OFF"
Dari kasus pada tabel 4.2 dianalisa kestabilan transien di PT Pertamina UP IV Cilacap adalah gangguan generator trip, hubung singkat dan starting motor Dari kasus diatas, untuk kasus gangguan berupa generator trip dan hubung singkat dianalisa respon generator dan beberapa bus yang dapat digunakan sebagai indikasi stabilitas transient sistem. Bus tersebut adalah: 1. 50EE501 : Bus utama sistem yang mewakili bus dibawah generator utility plan I 2. 500EE0001: Bus utama sistem yang mewakili bus dibawah generator utility plan IIA 3. 05EE0101A: Bus utama sistem yang mewakili bus di bawah generator utility plan II 4. Bus 57 : Bus sistem yang mewaikili profil tegangan 13 .,8 kV 5. 01EE1102B : Bus sistem yang mewakili profil tegangan 3,45 kV 6. 01EE1003B : Bus sistem yang mewakili profil tegangan 0.4 kV Sedangkan untuk kasus motor starting dianalisa respon frekuensi dan tegangan beberapa bus yang dapat digunakan sebagai indikasi stabilitas transien sistem. Bus tersebut adalah : 1. 01EE1202A : Bus yang terhubung langsung dengan motor yang distart 2. 01EE1202B : Bus yang berdekatan dengan bus dengan motor yang distart 3. 500EE0001 : Bus utama yang mewakili bus dibawah generator di utility plan IIA 4.3 Simulasi stabilitas transien 4.3.1 TS case 1:Semua generator “on”, gen 051G102 (20 MW) trip semua beban (termasuk boiler dan tangki baru) “on” Pada kasus ini akan disimulasikan sistem kelistrikan PT Pertamina UP IV Cilacap dalam kondisi pembebanan maksimu yaitu semua pembangkitan dalam kondisi on kemudian terjadi gangguan generator 051G102 trip.
Respon Frekuensi Generator Frekuensi (Hz)
20MW. Sistem kelistrikan di UP IV Pertamina memiliki 32 subsation, dimana masing-masing substation memikul beban statis dan motor. Untuk memudahkan dalam pengoperasian, Unit pengolahan IV Pertamina dibagi menjadi 3 daerah utility. Tiap – tiap utility memiliki beberapa pembangkit yang terhubung dengan bus – bus distribusi uang terbagi dalam beberapa feeder selanjutnya feeder-feeder ini terhubung dengan substation dalam suatu jaringan radial
50.2 50 49.8 49.6 49.4 49.2
Frekuensi… 0
20
40
Waktu (s) Gambar 4.1 ResponFrekuensi Generator sistem saat pembebanan maksimum
Dari gambar 4.1 frekuensi generator turun setelah terjadi gangguan didetik ke 3 penurunan frekuensi generator menyentuh 49,42 Hz pada detik 4,9 kemudian naik dan kembali keadaan steady state 49,785 Hz. Pada gambar 4.2 respon frekuensi bus sistem mengalami penurunan setalah terjadi gangguan di detik ke 3, frekuensi bus sistem mengalami penurunan sampai 98,854 % atau 49.42 Hz dan frekuensi naik dan mencapai keadaan steady state 99,57 %
Proseding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
Halaman 3 dari 6
atau 49,785 Hz. Dengan demikian dapat disimpulkan respon frekuensi bus sistem sama dengan respon frekuensi generator.
Gambar 4.4 Respon frekuensi bus saat gangguan operasi normal
Gambar 4.2 ResponFrekuensi Bus saat gangguan pembebanan maksimum
Gambar 4.5 Respon tegangan bus saat gangguan operasi normal
A Gambar 4.3 Respon tegangan bus sistem saat gangguan pembebanan maksimum
Gambar 4.6 Respon pembebanan generator saat gangguan operasi normal
Gambar 4.4 pembebanan generator saat gangguan pembebanan maksimum
Pada gambar 4.3 ditunjukkan respon tengangan setelah terjadi gangguan didapat respon tegangan setelah terjadi gangguan pada kondisi steady state masih dalam batas aman ,diatas 95 %. Kemudian pembebanan generator bekerja masih dalam batas normal dibawah daya mampu generator dapat ditunjukkan pada gambar 4.4. 4.3.2 TS Case 2 :Operasi normal, generator 051G102 ( 20 MW) trip semua beban (termasuk boiler dan tangki baru) “on” Pada kasus ini disimulasikan sistem kelistrikan normal PT Pertamina UP IV Cilacap, generator 51G2 8 MW dalam kedaan off dan terjadi gangguan generator 051G102 tiba-tiba trip.
Pada gambar 4.4 ditunjukkan respon frekuensi bus sistem setelah terjadi gangguan frekuensi sistem turun mencapai 98,57 % atau 49,28 Hz dan kembali dalam keadaan steady state 99,38 % atau 49,69 Hz. Pada gambar 4.5 ditunjukkan respon tegangan bus sistem saat terjadi gangguan. respon semua tegangan di bus sistem mengalami drop tengangan dan kemudian kembali dalam kondisi steady state diatas 95 %. Pada gambar 4.6 ditunjukkan respon pembebanan generator. Setelah terjadi gangguan respon pembebanan generator mengalami osislasi kemudian kembali stabil pada keadaan kondisi steady state dalam batasan normal. 4.3.3TS Case 3 :Generator 051G103 dan 51G201 "off " generator 051G102 trip Pada kasus ini akan disimulasikan generator 051G103 dan 51G201 2 x 20MW dalam keadaan mati atau off hal ini dikarenakan adanya maintenenece generator dan kemudian terjadi gangguan generator 051G102 lepas dari sistem. Sebelum dilakukan simulasi perlu dilakukan pelepasan beban sebesar 2,4 MW karena pembebanan generator dalam keadaan maksimal.
Proseding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
Halaman 4 dari 6
Tabel 4.1 pembebanan generator saat 2X20 MW off
Rating daya Daya mamp u
51 G1 8 M W 7.5 M W
51 G2 8 M W 7.5 M W
51 G3 8 M W 7.5 M W
Daya output
7.2 M W
7.2 M W
7.2 M W
ID
Generator 510 51 G30 G2 1 01 20 8 M MW W 19 7.5 M MW W
051 G10 1
051 G10 2
051 G10 3
20 MW
20 MW
20 MW
19 MW
19 MW
19 MW
2.
3. 7.2 MW
0
18.8 MW
19 MW
0
4.
5.
Gambar 4.10 Respon frekuensi bus sistem saat gangguan 2X20 MW off
pembangkit GTG KDM adalah Directional Over Current Relay 67Q (DOCR 67Q) sehingga menyebabkan CB di tie-in (VCB1) terbuka pada t = 1.2 detik. Akibat gangguan lepasnya pembangkit GTG KDM, menyebabkan beban yang ditanggung STG KPI jauh lebih besar daripada kapasitas generator (karena juga harus menanggung beban KDM), sehingga frekuensi generator KPI terus turun hingga mencapai 42.398 Hz begitu juga tegangan bus HSG1-KPI turun hingga mencapai 62.37 % atau sebesar 6,86 kV dari tegangan nominal 11 kV, atau dapat dikatakan sistem KPI menjadi collapse. Agar sistem KPI mampu kembali stabil dan STG KPI tidak trip saat terjadi gangguan lepasnya pembangkit GTG KDM ataupun Loss Excitation, perlu dilakukan pelepasan pembangkit (Load Shedding) sebesar 346 kW sesuai dengan skema yang telah ditentukan. Selain itu perlu dilakukan setting ulang Underfrequency 2 STG KPI menjadi 48.5 Hz delay 5 detik. Hal ini dilakukan agar frekuensi generator kembali stabil sebelum Underfrequency 2 pick up dan menyebabkan CB GEN KPI terbuka, saat GTG KDM mengalami gangguan Loss Excitation. Pada konfigurasi sistem KPI disuplai oleh STG KPI, GTG KDM dan Sistem Integrasi, baik saat terjadi gangguan lepasnya pembangkit maupun gangguan loss of excitation, sistem masih dianggap stabil, meskipun respon tegangan pada bus HSG1-KPI mengalami penurunan tapi masih memenuhi standart dan di atas setting rele yang ada.
DAFTAR PUSTAKA [1]
Gambar 4.11 Respon tegangan bus sistem saat gangguan 2X20 MW off
PENUTUP Berdasarkan hasil yang didapatkan dari simulasi dan analisis pada tugas akhir ini, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Saat sistem KPI disuplai oleh STG KPI paralel dengan GTG KDM sedangkan Sistem Integrasi OFF, rele yang pertama kali pick up saat terjadi ganggaun lepas
American National Standards Institute, “IEEE Recommended
Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power System”, IEEE Std 242-1986 [2] ANSI/IEEE C37.106-1987, ”IEEE Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants”. [3] ANSI C84.1-1989, “American National Standard for Electric Power Systems and Equipment ”. [4] Hadi Saadat, Power System Analysis, McGraw-Hill Inc., 1999. [5] IEEE Std C37.102-1995, “IEEE Guide for AC Generator Protection”. [6] Imam Robandi, Margo Pujiantara, “Analisa Sistem Tenaga [Pengantar stabilitas Dinamik]” Proyek Percepatan Pendidikan Insinyur 1996/1997 FTI ITS, 1997. [7] Imam Robandi, “Desain Sistem Tenaga Modern” Andi Yogyakarta, 2006. [8] John Berdy, General Electric Company, Electric Utility Engineering Operation,“Load Shedding an Aplication Guide - LoadShedding, Load Restorationand Generator Protection Using Electromechanical Underfrequency Relay”, Schenectady, New York, 1968. [9] Penangsang, Ontoseno. “Diktat Kuliah Analisis Sistem Tenaga Listrik 2”. Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. [10] Penangsang, Ontoseno. “Diktat Kuliah Peningkatan Kualitas Daya”. Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. [11] Roger C. Dugan, Surya Santoso, Mark F. McGranaghan, H. Wayne Beaty “Electrical Power System Quality (second edition)”, McGraw-Hill Inc, 2002.
Proseding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
RIWAYAT HIDUP PENULIS Halaman 5 dari 6
Penulis bernama lengkap Candra Agus Dwi Wahyudi dilahirkan pada tanggal 17 Agustus 1986 di Mojokerto, Jawa Timur. Lahir sebagai anak kedua dari dua bersaudara pasangan Mulyatno dan Sukesi. Setelah lulus dari SMU Negeri 1 Sooko Mojokerto pada tahun 2004. Penulis diterima sebagai mahasiswa Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS program Diploma dan lulus pada tahun 2007, dan melanjutkan pendidikan program Sarjana di Jurusan Teknik Elektro ITS Surabaya dan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga. Penulis pernah aktif sebagai asisten Laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik.
Proseding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
Halaman 6 dari 6
