KAJIAN PUSTAKA
2.1 Kestabilan Sudut Rotor
Kestabilan sudut rotor berhubungan dengan kemampuan mesin sinkron yang terhubung pada sistem untuk tetap dalam keadaan sinkron setelah mengalami gangguan. Hubungan tersebut dipengaruhi torsi elektromagnetik dan torsi mekanis dari mesin. Sistem tenaga listrik beroperasi pada lingkungan yang terus berubah sehingga dapat menyebabkan sistem tersebut tidak linier. Contohnya adalah seperti adanya perubahan beban, perubahan output generator, dan hal lain yang berubah secara terus-menerus. Sifat dari sudut daya adalah tidak linier. Pertambahan perbedaan dari sudut daya akan diikuti oleh berkurangnya daya yang dihasilkan oleh mesin. Keadaan tidak stabil akan muncul jika sistem tidak dapat menyerap energi kinetik akbiat adanya perbedaan kecepatan pada rotor. Oleh sebab itu ketidaksetimbangan dapat menyebabkan bertambahnya sudut angular dari ayunan pada beberapa generator akibat kondisi loss of synchronism dari generator yang lain [7]. Untuk memudahkan dalam menganalisa kestabilan sudut rotor, maka perlu dilakukan klasifikas menurut jenis gangguannya, yaitu akibat gangguan kecil dan akibat gangguan besar.
Kestabilan rotor akibat gangguan kecil dapat berpengaruh pada bertambahnya sudut rotor secara tidak periodik, dan meningkatnya amplitud akibat torsi damping yang tidak sesuai. Masalah tersebut dapat bertambah luas ketika osilasi sebauh grup dari generator mempengaruhi grup generator yang lain sehingga dinamakan interarea mode oscillation. Periode waktu dari gangguan kecil adalah dalam rentang waktu 10-20 detik setelah gangguan.
2.2 Kestabilan Transien
Kestabilan rotor akibat gangguan besar atau dinamakan kestabilan transient menjelaskan mengenai kemampuan sistem untuk kembali sinkron ketika terjadi gangguan besar, seperti hubung singkat pada saluran transmisi. Respon sistem
6
dipengaruhi kondisi operasi awal sistem dan besarnya gangguan. Ketidakstabilan tersebut dapat menyebabkan berubahnya sudut rotor secara tidak periodik akibat torsi yang tidak sinkron dan menghasilkan first swing instability pada ayunan pertama. Apabila gangguan tersebut terjadi pada sistem yang besar, kondisi tidak sinkron dapat muncul pada beberapa ayunan setelah gangguan. Hal tersebut dikarenakan efek nonlinier dan superposisi antar area pada sistem.
Gambar 2.1. Respon Sudut Rotor Terhadap Gangguan Transien[10]. Gambar 2.1 menunjukkan kondisi stabil dan tidak stabil pada generator sinkron. Pada kondisi stabil yaitu kondisi 1, sudut rotor bertambah hingga maksimum, akan tetapi kemudian berkurang dan berosilasi hingga pada kondisi steady-state. Namun pada kondisi 2 (frist swing instability), sudut rotor terus bertambah sehingga generator kehilangan sinkronisasinya (lossing of synchronization). Sedangkan pada kondisi 3 (multi swing instability), osilasi yang semakin bertambah mengakibatkan generator menjadi lepas sinkron [10].
2.3 Trajectory kritis
Gambar 2.2 menunjukkan diagram konstektual dari kestabilan transient pada sistem tenaga tanpa menggunakan damping. Sudut horizontal menjelaskan sudut fasa dari generator, dan sumbu vertikal menjelaskan frekuensi angular. Ketika sistem beroprasi dalam keadaan stabil, titik operasinya terletak pada daerah stable equilibrium point (SEP), dan sistem pada kondisi ini sifatnya stabil (titik S). Akan tetapi ketika terjadi gangguan di sistem, keadaan sistem bergerak dari stable
kondisi 2
kondisi 3
kondisi 1
waktu (s)
7
equilibrium point dengan mengikuti locus trajectory (trajectory 1). Jika gangguan selesai dalam waktu yang singkat, maka titik operasinya akan berosilasi (trajectory 2). Akan tetapi, jika waktu gangguan sangat lama, maka sistem tidak dapat kembali pada kondisi awal setelah terjadinya gangguan (trajectoy 4). Jika gangguan berhasil ditangani sebelum waktu kritisnya (trajectory 3) yang terletak pada unstable equilibrium point (UEP), maka trajectory akan kembali, dan titik operasinya konvergen pada waktu yang tidak terhingga. Metode tersebut adalah metode yang efisien dalam menentukan trajectory kritis [11]
1 2 3 4 UEP (rad) (r a d )/ s SEP
Gambar 2.2 Trajectory selama Keadaan Transient [8]
Pada kasus single machine, trajectory kritis dapat mencapai UEP. Trajectory kritis didefinisikan sebagai trajectory yang dimulai dari sebuah titik gangguan dan mencapai titik kritis yang memenuhi kondisi hilangnya sinkronisasi. Titik kritis tersebut berhubungan dengan UEP untuk sistem single machine sesuai yang digambarkan pada Gambar 2.1, bukan untuk kasus multimachine. Hal tersebut sulit untuk dikerjakan dengan metode simulasi perhitungan konvensional. Dengan menggunakan metode konvensional, kondisi sistem dapat dijelaskan dengan presisi, dan analisis model dapat disimulasikan menggunakan kontrol sehingga lebih mendekati kondisi realnya. Pada penelitian ini, perhitungan pada problem tersebut disingkat dengan pengecekan kondisi inisialnya.
Sistem tenaga listrik Smart Grid terdiri dari sistem pembangkitan, sistem transmisi, dan beban. Secara umum sistem pembangkitan Smart Grid terdiri dari generator dan beban, atau generator tersebut terhubung pada Infinite Bus. Sistem
8
ini terdiri dari jaringan listrik kecil yang lengkap dengan pembangkit, beban, dan pengaturannya. Smart Grid bisa berdiri sendiri atau tersambung dengan jaringan listrik besar.
2.5. Waktu Pemutusan Kritis
Sistem akan kembali stabil jika gangguan ditangani dengan membuka CB sebelum waktu pemutusan kritis atau dikenal dengan critical clearing time (CCT), kemudian sistem menjadi tidak stabil bila gangguan ditangani setelah waktu tersebut. Gangguan pada sistem tenaga listrik dapat diamankan dengan pemutusan saluran atau pelepasan generator melalui circuit breaker (CB). Waktu kerja rele: Waktu buka CB 0,04–0,1 detik (2-5 cycle), Overtravel dari rele 0.1 detik, dan Faktor keamanan 0.12–0.22 detik. Untuk rele berbasis microprosessor overtravel time dari rele diabaikan. Total waktu yang diperlukan adalah 0.2–0.3 detik [9] sehingga peralatan pada sistem akan teramankan dari kerusakan. Akan tetapi, skema ini tidak menjamin sistem akan kembali pada kondisi steady-state disebabkan nilai CCT pada sistem tenaga listrik. Oleh sebab itu, perlu dilakukan analisa perhitungan CCT secara akurat dan cepat untuk meningkatkan realibilitas sistem.
2.6 Smart Grid
Smart Grid merupakan jaringan self-healing yang dilengkapi dengan teknik dinamik optimasi dan pengukuran real time untuk menjaga kualitas daya dengan mengurangi losses, menjaga level tegangan, meningkatkan aset manajemen dan meningkatkan kehandalan sistem [6]. Sistem ini dapat membantu keperluan penggunanya, dengan cara pengaturan distributed generation (DG), manajemen ketersediaan, serta sistem energy storage.
Distributed Generation (DG) memiliki keunggulan diantaranya yaitu dapat mensuplai beban dasar, beban puncak, dapat juga sebagai pembangkit cadangan, menaikkan tegangan stabilitas jaringan. DG pada sistem tersebut menggunakan sumber energi terbarukan (renewable energy) yaitu Micro Hydro sebagai sumber pembangkit listrik. Daya yang mampu dibangkitkan oleh sebuah DG adalah 30-300kW.
9