ABSTRAK
OPTIMASI ALIRAN DAYA MENGGUNAKAN UNIFIED POWER FLOW CONTROL (UPFC) PADA SISTEM TRANSMISI 150 KV WILAYAH
LAMPUNG
Oleh
EZI HAILI ANANTA
Jaringan transmisi merupakan bagian penting dalam sistem tenaga untuk menyalurkan energi listrik dari pusat pembangkit ke beban, untuk itu sistem tenaga harus diusahakan secara maksimal agar dicapai aliran daya yang optimal, artinya dengan tercapainya syarat – syarat tegangan yang terpenuhi dan rugi – rugi daya yang minimal.
Pada penelitian ini akan dilakukan simulasi tentang optimasi aliran daya menggunakan Unified Power Flow Control ( UPFC ). UPFC dapat mengontrol aliran daya pada transmisi dengan mengatur parameter yang mempengaruhi aliran daya sehingga dicapai aliran daya yang optimal.
Dari hasil penelitian diperoleh bahwa pemasangan UPFC untuk menghasilkan aliran daya optimal berada antara bus 3 (Bukit Kemuning) dengan bus 4 (Kotabumi) dengan injeksi tegangan r sebesar 0.1 p.u. sudut 300° (deg) diperoleh penurunan total loss saluran sebesar 49.33 % daya aktif dan 49.20 % daya reaktif dan peningkatan tegangan pada bus 4 sebesar 2.66 %.
ABSTRACT
OPTIMIZATION POWER FLOW USING UNIFIED POWER FLOW CONTROL (UPFC) IN LINE TRANSMISSION 150 KV REGIONAL
LAMPUNG
By
EZI HAILI ANANTA
Transmission network is an important part in power systems to deliver electrical energy from generator plants to load centers, therefore the power system should be pursued to the fullest in order to achieve optimal power flow, meaning that the achievement of conditions voltage requirements and minimal power loss.
In this research, the simulation of power flow optimization using the Unified Power Flow Control (UPFC). UPFC can control the power flow on transmission by adjusting the parameters that affect of power flow to achieve optimal power flow.
The result showed that the installation of UPFC for optimal power flow are generating between bus 3 (Bukit Kemuning) and bus 4 (Kotabumi) with a control injection voltage ( r ) of 0.1 pu and phase angle 3000 (Deg). Obtained a total reduce losses of active power 49.33% and reactive power 49.20% and increase the voltage at bus 4 is 2.66%.
PERSEMBAHAN
Dengan mengucapkan syukur kepada ALLAH SWT atas semua rahmat dan
karunia-Nya.
Kupersembahkan skripsiku ini kepada kedua orang tuaku tercinta yang telah
berjuang dengan cucuran keringat demi melihat anaknya ini dapat menggapai
cita–cita dan keberhasilan.
Bang Purnama, Bang Budi, Bang Lukman dan kakak Esah terimakasih atas Do’a
DAFTAR ISI
G. Sistematika Penulisan ……… 4
II. TINJAUAN PUSTAKA ………. 6
A. Umum ………..……… 6
ii
C. Dampak Dari Pemasangan Kapasitor Seri dan shunt …..… 15
1. Kapasitor Seri ……… 15
2. Kapasitor Shunt / Paralel ……… 17
D. Source Voltage Converter (VSC) ……… 19
E. Unified Power Flow Control (UPFC) ………. 20
1. Prinsip Kerja UPFC ……….. 22
2. Operasi Kontrol UPFC ……… 25
3. Representasi Matematis dengan UPFC ……… 28
F. Optimal Power Flow ……….. 35
1. OPF Untuk Meminimalkan Biaya Operasi ………. 36
2. OPF Untuk Meminimalkan Losis Saluran ………. 37
III. METODE PENELITIAN ……… 39
A. Waktu dan Tempat ……….. 39
B. Bahan dan Alat ………. 39
C. Metode yang Digunakan ………. 40
D. Diagram Alir Penelitian ……….. 42
E. Simulasi .………..……… 43
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 48
A. Sistem Kelistrikan Lampung 48 B. Simulasi Aliran Daya untuk Penempatan UPFC 50
C. Optimasi Aliran Daya 53
a. UPFC pada bus 3 ke bus 4 ……… 55
b. UPFC pada bus 4 ke bus 5 ………. 57
2. Loss / Rugi Daya Saluran Dengan dan Tanpa UPFC …. 59 D. Analisa Simulasi ………. 60
1. UPFC pada bus 3 ke bus 4 ……….. 61
2. UPFC pada bus 4 ke bus 5 ..……… 64
E. Hasil ………. 67
V. SIMPULAN DAN SARAN ……….. 70
A. Simpulan ……….. 70
B. Saran ……….. 71
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Diagram satu garis saluran transmisi ……… 9
Gambar 2. Rangkaian ekivalen dan diagram fasor kapasitor seri ….. 16
Gambar 3. Rangkaian ekivalen dan diagram fasor kapasitor shunt … 18 Gambar 4. Voltage Source Converter 3 fasa dengan IGBT ………… 19
Gambar 5. Skema dasar UPFC ……….. 21
Gambar 6. Diagram UPFC ……….. 22
Gambar 7. Model converter UPFC ………. 22
Gambar 8. Struktur kontrol UPFC ………. 25
Gambar 9. Block diagram kontrol shunt UPFC ………. 26
Gambar 10. Block diagram kontrol seri UPFC ……… 27
Gambar 11. Model dua sumber tegangan UPFC ………. 29
Gambar 12. Penempatan sumber tegangan seri dan arus ………. 29
Gambar 14. Ekuivalen daya injeksi pada cabang paralel ………. 33
Gambar 15. Model matematis steady state UPFC ……… 33
Gambar 16. Variasi daya aktif ( P ) terhadap r dan ………. 34
Gambar 17. Variasi daya reaktif ( Q ) terhadap daya aktif ( P ) …….. 34
Gambar 18. Diagram alir penelitian ………. 42
Gambar 19. Diagram satu garis sistem transmisi 150 KV Lampung …. 49
Gambar 20. Penambahan UPFC pada sistem ……… 53
Gambar 21. Grafik tegangan tanpa dan dengan UPFC
pada bus 3 ke 4 ( r = 0.05) ……… 61
Gambar 22. Grafik tegangan tanpa dan dengan UPFC
pada bus 3 ke 4 ( r = 0.1) ………. 62
Gambar 23. Grafik total loss ( r = 0.05p.u ) UPFC pada bus 3 ke 4 …. 63
Gambar 24. Grafik total loss ( r = 0.1 p.u ) UPFC pada bus 3 ke 4 ….. 63
Gambar 25. Grafik profil tegangan dengan UPFC
pada bus 4 ke 5 ( r = 0.05 pu ) ………... 65
Gambar 26. Grafik profil tegangan dengan UPFC
pada bus 4 ke 5 ( r = 0.1 pu ) ………..…………. 65
Gambar 27. Grafik total loss ( r = 0.05 p.u ) UPFC pada bus 4 ke 5 … 66
iv
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Data pembangkitan wilayah Lampung dan transfer daya dari
Sumatera Selatan ……… 44
Tabel 2. Data pembebanan wilayah Lampung ……… 44
Tabel 3. Data saluran transmisi Lampung ……….. 49
Tabel 4. Profil tegangan dan sudut tiap bus tanpa UPFC ………….. 51
Tabel 5. Rugi – rugi Saluran tanpa UPFC ………. 51
Tabel 6. Nilai varibel kontrol UPFC ………. 54
Tabel 7. Profil tegangan dengan injeksi r 0.05 pu
UPFC pada bus 3 ke 4 ……….. 55
Tabel 8. Profil tegangan dengan injeksi r 0.1 p.u
UPFC pada bus 3 ke 4 ……….. 56
Tabel 9. Profil tegangan dengan injeksi r 0.05 p.u
Tabel 10. Profil tegangan dengan injeksi r 0.1 p.u
UPFC pada bus 4 ke 5 ……….. 58
Tabel 11. Total loss ( MW & Mvar ) tanpa UPFC ………. 59
Tabel 12. Total loss ( MW & Mvar ) dengan UPFC pada bus 3 ke 4…. 59
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Proses penyaluran daya pada sistem tenaga listrik diawali dari pembangkit, kemudian disalurkan melalui sistem jaringan transmisi, lalu disalurkan pada pelanggan distribusi. Untuk mendukung kebutuhan energi listrik yang terus meningkat, maka pemenuhan kebutuhan daya listrik disetiap beban harus dilayani dengan baik.
Untuk mengatasi permasalahan tersebut peralatan yang dapat digunakan untuk mengatur aliran daya pada saluran transmisi adalah peralatan Flexible Alternating Current Transmission system (FACTS). Unified Power Flow Control (UPFC) merupakan salah satu peralatan FACTS yang paling kompleks karena dapat mengontrol ketiga parameter yang mempengaruhi aliran daya pada saluran transmisi listrik, yaitu impedansi saluran, tegangan transmisi, dan perubahan sudut pasa antara sisi kirim dan sisi terima. Struktur dasar dari UPFC terdiri dari sebuah konveter seri dan sebuah konverter shunt yang dikopel oleh sebuah kapasitor penyimpan tegangan DC dan terhubung kesistem tansmisi melalui transformator.
B. Perumusan Masalah
Berdasarkan paparan latar belakang diatas, dirumuskan beberapa masalah yang berhubungan dengan penelitian ini, antara lain:
1. Pemodelan saluran yang baru dengan adanya penambahan UPFC
2. Simulasi aliran daya dilakukan sebelum dan sesudah pemasangan UPFC dengan program Matlab 7.8.
3
C. Hipotesis
Berdasarkan kelebihan yang terdapat pada UPFC dibanding dengan perangkat FACTS lainnya dalam hal pengontrolan aliran daya dengan kemampuannya mengontrol tegangan, impedansi dan sudut pasa menggunakan kompensasi seri dan shunt yang terdapat pada UPFC, secara langsung akan berdampak positif terhadap sistem yakni mengurangi rugi – rugi saluran serta memperbaiki profil tegangan dengan demikian akan memperbaiki kualitas sistem transmisi.
D. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Menganalisa aliran daya pada jaringan transmisi sebelum dan sesudah pemasangan UPFC.
2. Mengetahui pengaruh dari pemasangan UPFC. 3. Meminimalisasi loss saluran transmisi.
4. Memperbaiki profil tegangan saluran transmisi.
E. Batasan Masalah
1. Sistem dalam keadaan normal
2. Sistem yang ditinjau adalah sistem 150 KV
3. Peralatan kontrol yang digunakan dalam simulasi adalah Unified Power Flow Controller (UPFC).
4. Program simulasi menggunakan program Matlab 7.8 (R2009a)
F. Metode Penelitian
Metode penelitian yang dilakukan dalam penyelesaian tugas akhir ini meliputi: 1. Studi Pustaka, yaitu mengumpulkan buku serta referensi yang
berhubungan dengan FACTS khususnya mengenai aliran daya dan UPFC.
2. Data-data yang diambil adalah parameter-parameter yang dibutuhkan untuk melakukan simulasi dengan program matlab. Data-data yang dibutuhkan seperti: generator, transformator, transmisi, bus, dan sebagainya.
3. Simulasi menggunakan program Matlab 7.8 (R2009a)
G. Sistematika Penulisan
5
BAB I : PENDAHULUAN
Berisikan tentang latar belakang masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan.
BAB II : DASAR TEORI
Bagian ini berisi tentang dasar teori mengenai aliran daya pada sistem tenaga elektrik, UPFC dan prinsip kerjanya.
BAB III : METODOLOGI PENELITIAN
Bagian ini berisi tentang langkah-langkah yang dilakukan dalam menganalisis data mulai dari membuat konfigurasi sistem serta parameter-parameter yang dibutuhkan untuk melakukan simulasi dengan program matlab 7.8 (R2009a
BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN
Bagian ini berisi tentang hasil simulasi aliran daya pada jaringan transmisi dengan menggunakan UPFC dan tanpa UPFC serta analisisnya.
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Umum
Untuk keperluan penyediaan listrik bagi pelanggan, diperlukan berbagai peralatan listrik. Berbagai peralatan ini dihubungkan satu sama lain mempunyai inter relasi dan secara keseluruhan membentuk suatu sistem tenaga listrik. Yang dimaksud dengan sistem tenaga listrik adalah sekumpulan pusat pembangkit tenaga listrik dan gardu induk (GI) yang satu sama lain dihubungkan oleh jaringan transmisi sehingga menjadi sebuah kesatuan interkoneksi[1].
Karena berbagai persoalan teknis tenaga listrik hanya dibangkitkan pada tempat – tempat tertentu. Sedangkan pemakai tenaga listrik atau pelanggan tenaga listrik tersebar diberbagai tempat. Tenaga listrik yang dibangkitkan dalam pusat – pusat pembangkitan kemudian disalurkan melalui saluran transmisi setelah terlebih dahulu dinaikkan tegangannya oleh transformator penaik tegangan. Saluran transmisi tegangan tinggi di PLN kebanyakan mempunyai tegangan 66KV, 150KV, dan 500KV.
Setiap GI sesungguhnya merupakan pusat beban untuk suatu daerah pelanggan tertentu, bebannya berubah – ubah sepanjang waktu sehingga daya yang
[1]
dibangkitkan pada pusat – pusat pmbangkit juga selalu berubah. Perubahan beban dan prubahan pembangkitan daya ini juga menyebabkan aliran daya dalam saluran transmisi juga berubah sepanjang waktu. Dalam proses penyediaan tenaga listrik bagi para pelanggan tidak dapat dihindarkan timbulnya rugi – rugi dalamjaringan. Proses pembangkitan tenaga listrik termis memerlukan biaya bahan bakar yang tidak sedikit. Biaya bahan bakar serta rugi – rugi jaringan merupakan faktor – faktor yang harus ditekan agar menjadi sekecil mungkin dengan tetap memerhatikan mutu dan keandalan.
B. Aliran Daya[2][3]
Aliran daya adalah solusi dari kondisi operasi sistem tenaga listrik pada keadaan
steady-state, yang memberikan gambaran dan dapat dijadikan batasan mengenai operasi sistem tenaga listrik yang dinamis. Studi aliran daya pada sistem tenaga listrik akan memberikan informasi tentang daya nyata (real power), daya reaktif (reactive power), tegangan dan sudut fasa pada sistem.
Dalam sistem tenaga bus dapat diklasifikasikan menjadi tiga jenis, yaitu:
1. Bus PQ
[2]
Dikutip dari “Power System Analysis” Oleh Hadi saadat. [3]
8
Tipe bus ini digunakan untuk bus beban, pada bus ini daya aktif(P) dan reaktif(Q) diketahui dan besaran yang dapat dihitung pada bus ini adalah tegangan(V) dan sudut(δ)
2. Bus PV
pada bus ini daya aktip (P) dan tegangan (V) ditentukan sebagai variabel yang diketahui. Secara umum bus dari pembangkit listrik dapat disebut sebagai bus PV, karena tegangan pada bus ini dapat dikontrol dengan kapasitas daya reaktif yang dibangkitkan. Besaran yang dihitung pada bus ini adalah daya reaktif (Q) dan sudut tegangan (δ).
3. Slack Bus
Slack Bus sering juga disebut dengan swing bus. Besaran yang diketahui dari bus ini adalah tegangan (V) dan sudut (δ). Suatu sistem tenaga biasanya
didesain memiliki bus ini yang dijadikan sebagai referensi, secara umum besaran dari sudut ini adalah nol (δ= ). Besaran yang dapat dihitung dari bus ini adalah daya aktip dan reaktif.
Pada saluran transmisi tiga fasa dalam keadaan seimbang yang menghubungkan bus I dan j seperti gambar 1,dengan mengasumsikan bahwa tegangan bus adalah
Z = R + jX
Gambar 1. Diagram satu garis saluran transmisi.
Daya komplek tiap fasa yang dikirim dari bus j ke bus i dapat dinyatakan sebagai
(2.1)
(2.2)
dimana
(2.3)
Dengan mensubtitusi persamaan (2.1) dan (2.2) dengan (2.3) diperoleh
| | | || |
(2.4)
dan
10
| | | || |
(2.5)
Sudut fasa antara tegangan dua bus adalah
(2.6)
Maka daya aktif dan reaktif dapat dituliskan sebagai berikut
| | | || | | || | (2.7)
| | | || | | || | (2.8)
untuk
| | | || | | || | (2.9)
| | | || | | || | (2.10)
Pada umumnya impedansi pada saluran jauh lebih besar daripada reaktansi sehingga reaktansi dapat diabaikan, maka persamaan menjadi
| || |
(2.11)
| | | || | (2.12)
dan
| || |
(2.13)
Pada sistem multi-bus, ada beberapa metode yang umum digunakan, yaitu metode Gauss-Seidel, Fast Decoupled dan Newton-Raphson. pada tugas akhir ini yang akan dibahas adalah menggunakan metode Newton-Raphson.
Metode Newton-Raphson secara luas digunakan untuk persamanan non-linear
pada sistm tenaga yang lebih besar karena lebih praktis. Jumlah iterasi yang dibutuhkan sedikit untuk memperoleh pemecahan berdasarkan ukuran sistem. Metode ini lebih disukai karena konvergensinya lebih cepat dan persamaan aliran dayanya dirumuskan dalam bentuk polar.
Untuk persamaan non-linier yang diasumsikan memiliki sebuah variable sperti persamaan
(2.15)
Dengan menggunakan deret Taylor persamaan tersbut dapat dijabarkan menjadi
(2.16)
turunan pertama dari persamaan tersebut diabaikan, untuk pendekatan linear menghasilkan persamaan
(2.17)
Dari
12
Untuk mengatasi kesalahan notasi, maka persamaan menjadi
(2.19)
Dimana:
pendekatan perkiraan
= pendekatan pertama
Oleh karena itu, rumus dapat dikembangkan sampai iterasi terakhir (k+1) menjadi
Pada sistem multi bus persamaan daya aktif dan reaktif adalah
∑ | || || | (2.24)
∑ | ||
|| |
(2.25)
aliran daya. Hasil perhitungan aliran daya menggunakan persamaan (2.24) dan (2.25) dengan nilai Pi(k) dan Qi(k). hasil nilai ini digunakan untuk menghitung nilai
(2.26)
14
Setelah nilai matrik Jacobian dimasukkan kedalam persamaan (2.28) maka nilai
dan | | dapat dicari dengan menginversikan matrik Jacobian menjadi
[ | | ] [ ] [ ] (2.37)
Setelah nilai dan | | diketahui maka nilai dan | | dapat
(2.38)
| | | | | | (2.39)
Nilai dari dan | | adalah hasil perhitungan pada iterasi pertama dan
selanjutnya digunakan kembali untuk perhitungan sampai iterasi ke- n.
C. Dampak Dari Pemasangan Kapasitor Seri dan shunt[4]
Fungsi utama dari pemasangan kapasitor seri dan shunt adalah untuk mengurangi rugi – rugi daya pada saluran, dan jatuh tegangan pada titik dimana dipasang kapasitor. Pada dasarnya kapasitor shunt digunakan untuk merubah power factor
(pf) beban, sedangkan kapasitor seri digunakan untuk mengkonpensasi reaktansi induktif saluran.
1. Penggunaan Kapasitor Seri.
Ketika menggunakan kapasitor seri, maka kapasitor dihubungkan secara seri dengan saluran. Kapasitor seri digunakan secara terbatas pada jaringan. Hal ini karena kapasitor seri memiliki masalah tentang batas/range peralatan yang dapat digunakan. Oleh karena itu pada umumnya pemasangan kapasitor seri ini
[4]
16
biasanya digunakan untuk saluran yang tidak terlalu luas, sehingga kapasitansi kapasitor yang dihasilkanpun akan kecil. Akan tetapi pemasangan kapasitor seri ini juga memiliki keunggulan dibandingkan dengan kapasitor shunt yaitu kapasitor seri akan lebih banyak menghasilkan kenaikan tegangan dari kapasitor
shunt pada faktor daya (pf) yang kecil. Berikut ini adalah gambar rangkaian ekivalen saluran dan gambar diagram fasor ketika saluran dikompensasi oleh kapasitor seri.
Gambar 2. Rangkaian ekivalen dan diagram fasor kapasitor seri.
Gambar diatas menunjukkan diagram fasor kompensasi kapasitor seri pada saat pf
lagging ( beban Iinduktif ). Berdasarkan gambar diatas dapat dilihat bahwa setelah dikompensasi seri impedansi saluran menjadi;
Drop tegangan dapat dinyatakan dengan rumus
(2.41)
Sedangkan drop tegangan setelah dipasang kapasitor seri menjadi
(2.42)
dengan pemasangan kapasitor seri maka besarnya jatuh tegangan yang diakibatkan oleh reaktansi induktif pada saluran dapat ditekan.
2. Penggunaan Kapasitor Shunt / Paralel
18
Gambar 3. Rangkaian ekivalen dan diagram fasor kapasitor shunt.
Pada factor daya lagging drop tegangan dapat dinyatakan
(2.43)
Setelah kapasitor terpasang drop tegangan menjadi
(2.44)
D. Voltage Source Converter ( VSC )[5].
Fungsi utama dari VSC adalah untuk menghasilkan tegangan AC ke DC ataupun sebaliknya. VSC yang ditunjukkan pada Gambar 5 terdiri dari enam IGBTs, dengan dua IGBTs ditempatkan pada setiap kaki. Selain itu, masing – masing IGBT dilengkapi dengan dioda yang terhubung antiparalel yang berpungsi untuk pembalikan tegangan. Meskipun tidak diperlihatkan, tetapi dalam VSC terdapat modul kontrol switching yang digunakan untuk mengontrol urutan switching perangkat semikonduktor VSC, ini bertujuan untuk menghasilkan gelombang tegangan output yang sedekat mungkin dengan gelombang sinusoidal, dengan pengendalian daya tinggi dan loss switching sekecil mungkin.
Gambar 4. Voltage Source Converter 3 fasa dengan IGBT.
[5]
“FACTS Modeling and Simulation in Power Networks”. oleh Enrique A., Claudio R., Hugo A.,
20
E. Unified Power Flow Control(UPFC)[6][7]
Peralatan yang dapat digunakan dalam mengatur aliran daya listrik pada saluran transmisi adalah peralatan Flexibel Automatic Current Transmission System
(FACTS), UPFC adalah salah satu peralatan FACTS yang paling kompleks. konsep dari UPFC pertama kali diusulkan oleh Gyugi pada tahun 1991.Dalam konsep aliran daya, UPFC mampu mengontrol secara bersamaan atau secara selektif semua parameter-parameter yang mempengaruhi aliran daya pada saluran transmisi yaitu; tegangan, impedansi, dan sudut fasa. Sebanding dengan kelebihan tersebut, UPFC merupakan alat pngendali yang paling mahal. Sama halnya dengan perangkat FACTS yang lainnya, efektivitas UPFC juga tergantung dengan letak pemasangannya pada sistem tenaga listrik. Secara keseluruhan UPFC memiliki lima kelebihan dibanding perangkat lainnya.
1. Meningkatkan kapasitas saluran.
2. Dapat mengalirkan daya secara langsung pada saluran transmisi. 3. Kemampuan meredam osilasi.
4. Kemudahan mengatur tegangan.
5. Dapat mengontrol daya aktip dan reaktip.
UPFC terdiri dari dua konverter sumber tegangan dengan menggunakan GTO (Gate Turn-Off) thyristor dengan rangkaian DC yang terdiri dari kapasitor penyimpan tegangan. UPFC dapat digambarkan sebagai alat yang terdiri dari rangkaian seri dan rangkaian paralel. Setiap konverter secara independen
[6]
“Understanding FACTS”. Oleh Narain G. Hingorain, Laszlo Gyugi. IEEE Press. [7]“
Mathematical modeling and analysis of a unified power flow controller” . Oleh A. Mete Vural, Mehmet
menghasilkan atau menyerap daya reaktif. Pengaturan ini dapat menghasilkan aliran bebas dari daya aktif pada masing-masing arah antara terminal AC dari dua konverter.
Gambar 5. Skema dasar UPFC.
Fungsi dari konverter paralel adalah untuk menyuplai daya aktif yang dibutuhkan oleh rangkaian seri konverter tersebut yang terhubung dengan terminal AC melalui transformator yang terhubung paralel. Konverter paralel juga dapat menghasilkan atau menyerap daya reaktif, sehingga dapat menyediakan konpensasi paralel reaktif pada jaringan.
22
1. Prinsip kerja UPFC
UPFC memakai dua converter sumber tegangan yang dioperasikan bersama-sama dengan kapasitor DC seperti gambar6.
Gambar 6. Diagram UPFC.
Gambar 7. Model converter UPFC.
konverter 2 yang dipakai pada skema diatas menunjukkan pembentukan tegangan
pada frekuensi dasar dengan amplitudo bervariasi
antara dan sudut fasa yang kemudian
ditambahkan ke terminal tegangan dari sistem AC melalui transformator yang terkopling (diinjeksikan) seri. Dengan ketentuan ini, keluaran konverter yaitu tegangan yang diinjeksikan secara seri dengan jaringan transmisi dapat digunakan untuk mengontrol tegangan secara langsung, kompensasi seri, dan penggeser fasa.
24
Konverter 1 (terhubung secara shunt/paralel) digunakan terutama untuk menyediakan daya nyata yang dibutuhkan oleh konverter 2 bersama dengan terminal DC link dari sistem tenaga. Konverter 1 juga dapat menghasilkan atau menyerap daya reaktif pada terminal AC, secara independen dari transfer daya nyata dari atau ke terminal DC, hal ini menunjukkan bahwa dengan kontrol yang lebih baik, ini dapat memenuhi fungsi dari sebuah kompensator Var statik, yang memberikan kompensasi daya reaktif untuk jaringan transmisi dan kemudian melakukan sebuah regulasi tegangan secara tak langsung pada terminal masukan dari UPFC.
independen, tegangan nominal DC link harus cukup tinggi untuk menghasilkan tegangan keluaran AC dari konverter 1 dengan maksimum amplitudo 15% lebih tinggi dari yang ada di sistem tenaga AC pada bagian sekunder dari transformator kopling
2. Operasi Kontrol UPFC[8].
UPFC memiliki beberapa modus operasi kontrol, baik pada konverter shunt
maupun konverter seri. Pada konverter shunt mirip dengan kontrol yang terdapat pada Static Synchronous Compensator (STATCOM), sedangkan converter seri mirip dengan Static Synchronous Series Compensator(SSSC).
Gambar 8. Struktur kontrol UPFC.
Sumber: Understanding FACTS.pdf. IEEE Press, 1999
[8]
26
Secara Khusus konverter paralel beroperasi untuk menginjeksikan arus
kedalam saluran transmisi. Konverter paralel dapat dikontrol dalam dua modus
yang berbeda, yaitu:
a. Modus Kontrol VAR: adalah masukan referensi berupa induktif atau kapasitif. Konverter paralel akan menerjemahkan referensi var sesuai dengan arus permintaan konverter paralel. Untuk modus ini mewakili sinyal umpan balik tegangan bus Vdc.
b. Modus Kontrol Tegangan Otomatis: Arus reaktif konverter paralel secara otomatis diatur untuk menjaga tegangan saluran transmisi pada titik koneksi kenilai referensi. Untuk modus kontrol ini, sinyal umpan balik tegangan diperoleh dari bus akhir pengiriman melalui kopling transformator paralel.
Konverter seri mengontrol besar dan sudut tegangan yang disuntikkan secara seri dengan saluran untuk mempengaruhi aliran daya pada saluran transmisi. Nilai aktual dari tegangan yang disuntikkan dapat diperoleh dengan beberapa cara.
a. Modus injeksi tegangan secara langsung: Referensi masukan besaran dan sudut fasa secara langsung dari tegangan seri.
b. Modus pergeseran sudut pasa: adalah referensi masukan perubahan fasa antara tegangan ujung pengiriman dengan tegangan ujung penerima. c. Modus impedansi saluran: adalah referensi masukan nilai impedansi untuk
memasukkan secara seri dengan impedansi saluran transmisi.
d. Modus kontrol aliran daya otomatis: referensi masukan adalah nilai-nilai P dan Q untuk dipertahankan pada saluran transmisi meskipun perubahan sistem.
28
3. Representasi Matematis dengan UPFC[9]
UPFC dapat di representasikan dalam kondisi steady state dengan dua sumber tegangan merepresentasikan komponen pundamental pada gelombang tegangan dari dua konverter impedansi yang melekat pada reaktansi pada dua kopling transformator. Gambar 11 melukiskan model sumber tegangan UPFC. Tegangan
pada bus i diasumsikan sebagai vektor referensi dan
Model matematis UPFC dalam kondisi steady state dapat dikembangkan dengan menambahkan sumber tegangan dengan sumber arus diparalel dengan saluran transmisi, dimana .
(2.47)
[9]
“Mathematical modeling and analysis of a unified power flow controller: A comparison of two
ij
Gambar 11. Model dua sumber tegangan UPFC.
Sumber arus dapat dimodelkan dengan menginjeksikan daya pada dua bus tambahan i dan j seperti ditunjukkan pada gambar 12.
se
Gambar 12. Penempatan sumber tegangan seri dan arus
(2.48)
(2.49)
Daya injeksi dan dapat disederhanakan dengan mensubtitusikan persamaan
(2.46), dan (2.47) kedalam persamaan (2.48)
30
Dengan menggunakan metode euler. ( , persamaan (2.50) akan menjadi:
(2.51)
[ ] (2.52)
Dengan menggunakan identitas trigonometri, persamaan (2.52) berkurang menjadi
(2.53)
Persamaan (2.53) dapat dibagi menjadi komponen real dan imajiner,
, dimana
(2.54)
(2.55)
Modifikasi yang sama dapat diterapkan pada persamaan (2.49). Persamaan akhir akan menjadi:
(2.56)
Persamaan 20 dapat dibagi menjadi komponen real dan imajiner:
, dimana
(2.57)
Berdasarkan persamaan (2.54), (2.55), (2.57), dan (2.58). model injeksi daya dari sumber tegangan yang dihubungkan seri dapat terlihat sebagai ketergantungan daya injeksi pada bus – bus tambahan i dan j, seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 13. Ekuivalen injeksi daya pada cabang seri.
Pada UPFC, cabang paralel digunakan untuk menyediakan daya nyata, yang diinjeksi ke sistem melalui cabang seri, dan total rugi – rugi dalam UPFC. Total rugi – rugi daya switching pada dua konverter diperkirakan sekitar 2% dari daya yang di transfer, untuk thyristor pada converter PMW. Jika rugi daya dimasukkan kedalam injeksi daya nyata pada sumber tegangan yang dihubungkan paralel pada bus i, sebesar 1.02 kali injeksi daya nyata seri melalui sumber tegangan yang dihubungkan seri pada sistem.
(2.59)
Suplai daya nyata yang melalui converter seri dapat dihitung sebagai:
32
Suplay daya aktif dan reaktif yang melalui converter seri dapat dihitung dari persamaan (2.60).
( ) (2.61)
( ) (2.62)
(2.63)
(2.64)
Bentuk ahir dari persamaan (2.64) dapat ditulis menjadi
, dimana
(2.65)
(2.66)
Daya reaktif yang dikirim atau diserap mlalui konverter 1 diabaikan pada model ini, tetapi epeknya dapat dimodelkan sebagai sumber reaktif paralel dengan pengontrol terpisah. Pada kasus ini, fungsi utama dari daya reaktif adalah untuk menjaga level tegangan pada bus i dalam batas yang ditentukan. Berdasarkan penjelasan diatas , dapat diasumsikan 0. Konsekuensinya, model matematis UPFC dalam kondisi steady state dibentuk dari model sumber tegangan yang dihubungkan seri dengan penambahan ekuivalen daya injeksi pada
.
Gambar 14. Ekuivalen daya injeksi pada cabang paralel.
Selanjutnya, model matematis stady state UPFC dapat dibentuk dengan mengkombinasi daya injeksi seri dan paralel pada bus i dan j seperti ditunjukkan pada gambar 15.
Gambar 15. Model matematis steady state UPFC
Elemen – elemen ekuivalen injeksi daya pada gambar 15. yaitu:
(2.67)
34
(2.69)
(2.70)
Berikut ini adalah gambar yang menunjukkan pengaruh UPFC terhadap aliran daya aktif disaluran dengan variasi dari 0 sampai dan r dari 0 sampai .
Gambar 16. Variasi daya aktif ( P ) terhadap r dan .
Gambar 17. Variasi daya reaktif ( Q ) terhadap daya aktif ( P ). Sumber: M. Noroozian, L Angquist, M. Ghandari, G. Anderson. “Use of UPFC for
F. Optimal Power Flow[10][11]
Ide dari optimal power flow pertama kali dikembangkan pada tahun 1960an sebagai kelanjutan dari economic dispatch konvensional untuk menentukan pengaturan optimal dari variabel-variabel yang dibatasi berbagai macam konstrain. Pada studi aliran daya konvensional, nilai variabel kontrol telah ditentukan sebelumnya. Namun pada OPF, nilai dari beberapa atau semua variabel kontrol harus dicari terlebih dahulu untuk menemukan nilai maksimum/minimum suatu objective.
OPF yang paling umum, biasanya digunakan untuk meminimalkan suatu objective function F(x,u) yang memenuhi batasan-batasan g(x,u)=0 dan h(x,u) ≤ 0, di mana g(x,u) merepresentasikan nonlinear equality constraints (persamaan aliran daya) dan h(x,u) adalah nonlinear inequality constraints. Dimana faktor u meliputi variabel control yang meliputi daya aktif dan magnitude tegangan, dan sudut pasanya serta parameter kontrol UPFC yang terdiri dari variabel control injeksi tegangan r dan sudut pada converter seri. Faktor x meliputi daya aktif dan reaktif pada swingbus, sudut tegangan dan daya reaktif dari generator serta magnitude tegangan dan sudut pada bus beban.
Adapun jenis-jenis penggunaan OPF yang sering digunakan dewasa ini, di antaranya
[10]“
Modelling of Optimal Unified Power Flow Controller (OUPFC) for optimal
steady-state performance of power systems”. A. lashkar Ara, A. Kazemi, S.A, Nabavi N. Science Direct
[11]
36
OPF untuk meminimalkan biaya pembangkitan
OPF untuk meminimalkan losses daya aktif
OPF untuk perencanaan daya reaktif (VAr)
dan sebagainya
1. OPF Untuk Meminimalkan Biaya Operasi
Secara umum bntuk OPF untuk menyelesaikan permasalahan economic dispatch, yaitu meminimalkan biaya pembangkitan dengan menggunakan persamaan berikut:
Fungsi Objektif
∑ ∑ (2.71)
Persamaan keseimbangan daya:
∑ (2.72) ∑ (2.73)
Batasan untuk kapasitas pembangkit:
(2.74)
Batasan Tegangan:
(2.76)
Batasan termal transmisi:
(2.77)
Dimana:
GC : total biaya pembangkitan
: koefisien biaya pembangkitan
: biaya pembangkitan unit i
: admitansi saluran m-n
: magnitude tegangan bus m , : sudut fasa tegangan bus m dan n
: besar pembangkitan daya aktif dan reaktif pada bus i : beban daya aktif dan reaktif pada bus i
: aliran daya saluran l
2. OPF Untuk Meminimalkan Losis Saluran
Fungsi objektif untuk meminimalkan loss daya aktif pada saluran transmisi dapat dituliskan sebagai berikut
38
Dimana adalah losis daya aktif pada saluran, adalah nomor dari saluran transmisi. Berdasarkan persamaan aliran daya losis daya aktif dapat dituliskan sebagai berikut.
∑ ∑ (2.79)
Untuk persamaan keseimbangan daya aktif dan reaktif pada bus yang dipasang perangkat UPFC dapat di representasikan sebagai berikut
∑ (2.80)
∑ (2.81)
Dimana dan adalah daya aktif dan reaktif yang dibangkitkan pada bus i.
dan Adalah beban daya aktif dan reaktif pada bus i. dan
adalah daya aktif dan reaktif yang di injeksikan oleh perangkat UPFC pada bus.
Adapun batasan dari UPFC adalah sebagai berikut
III. METODE PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian.
Waktu penyelesaian tugas akhir ini dimulai sejak bulan Juli 2012 sampai bulan Maret 2013, dan pengerjaannya bertempat di Laboratorium Sistem Tenaga Elektrik Teknik Elektro Universitas Lampung.
B. Bahan dan Alat.
1. Bahan Penelitian
Adapun bahan yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah berupa data-data yang dibutuhkan dalam perhitungan aliran daya pada saluran transmisi lampung. Data-data yang dibutuhkan dalam penelitian ini antara lain adalah:
Diagram satu garissaluran transmisi daerah lampung.
Data-data dari pembangkit.
Data bus (KV).
Data saluran transmisi 150 KV.
40
2. Alat Penelitian.
Dalam penyelesaian tugas akhir ini, alat bantu yang digunakan adalah:
Laptop Asus K42JE, Intel Core I3-370M, 2,4 GHz.
Software MATLAB 7.8 (R2009a).
C. Metode yang Digunakan.
Dalam penulisan tugas akhir ini, ada beberapa tahapan yang dilakukan untuk pengerjaan tugas ahir ini. adapun tahapan yang akan dilakukan adalah sebagai berikut:
1. Studi Literatur.
Studi literatur dimaksudkan untuk mempelajari sumber referensi yang berkaitan dengan penulisan tugas akhir ini.
2. Pengambilan Data.
Pada tahap pengambilan data ini nantinya akan digunakan untuk keperluan dalam melakukan analisis tentang aliran daya.
3. Metode Penyelesaian.
digunakan untuk persamaan non – linier. Penyelesaian persamaan ini menggunakan permasalahan yang linier dengan solusi pendekatan. Metode ini dapat diaplikasikan untuk satu persamaan atau beberapa persamaan dengan beberapa variabel yang tidak diketahui.
4. Pengolahan Data.
Dari data-data yang diperoleh akan dilakukan simulasi aliran daya menggunakan bantuan program Matlab untuk mengetahui kondisi system. Dari data hasil simulasi tersebut akan digunakan untuk menentukan lokasi pemasangan UPFC.
5. Membuat Analisis dari Hasil Pembelajaran.
6. Penulisan Laporan.
42
D. Diagram Alir Penelitian.
Mulai penelitian
Studi Literatur
Pengumpulan Data
Masukkan nilai data – data untuk perhitungan aliran daya dengan
metode Newton Rapson
Pemasangan UPFC
Program Aliran Daya Menggunakan metode
Newton-Rhapson
Analisa Hasil Aliran Daya
Selesai
E. Simulasi.
Untuk memudahkan penulis dalam melakukan simulasi ini, langkah – langkah yang dilakukan adalah sebagai berikut:
1. Melakukan pemodelan sistem saluran transmisi yang terdapat diwilayah Lampung untuk mengetahui lokasi komponen – komponen yang dibutuhkan dalam melakukan simulasi aliran daya berupa lokasi Gardu Induk ( GI ), lokasi beban dan pembangkitan. Berikut adalah data – data yang diperoleh dari P3B Sumatera UPT Tanjung Karang pada bulan Juli 2012.
Diagram satu garis sistem transmisi 150 KV wilayah Lampung dapat
dilihat pada lampiran.
Pembangkitan wilayah Lampung dan transfer daya dari Sumatera
44
Tabel 1. Data pembangkitan wilayah Lampung dan transfer daya dari Sumatera Selatan.
Data beban wilayah Lampung.
15 GI Kalianda 25,3 5,4
Tabel 2. Data pembebanan wilayah Lampung.
2. Dari data – data yang diperoleh selanjutnya dilakukan perhitungan aliran daya, dari hasil yang diperoleh akan dilakukan analisa untuk menempatkan UPFC. Dalam hal ini penulis menggunakan beberapa pertimbangan dalam meletakkan UPFC untuk menentukan lokasi yang tepat, yaitu:
Bus yang tegangannya rendah.
Saluran transmisi yang panjang.
Rugi – rugi saluran yang besar.
3. Dalam melakukan simulasi optimasi aliran daya dengan UPFC variabel kontrol yang digunakan adalah sebagai berikut:
UPFC yang terhubung paralel dengan saluran transmisi atau konveter
shunt dilakukan dengan metode kontrol tegangan otomatis dimana tegangan pada bus kirim dipertahankan pada tegangan 1 p.u.
Untuk mengontrol aliran daya besaran r dan sudut phasa yang
46
4. Simulasi menggunakan program m.file dan dijalankan dengan program Matlab 7.8. Berikut adalah fungsi variabel control UPFC[12].
NUPFC : nomor UPFC
UPFCsend : Shunt konverters bus kirim
UPFCrec : Series konverter bus terima
Xcr : Reaktansi induktif dari impedansi shunt (p.u.)
Xvr : Reaktansi induktif dari impedansi seri (p.u.)
Flow : Arah aliran daya : 1. untuk bus pengirim ke bus penerima. -1.
Untuk arah sebaliknya.
Psp : Target aliran daya aktif (p.u.)
PSta : Status kontrol daya aktif : 1 is on; 0 is off
Qsp : Target aliran daya reaktif (p.u.)
QSta : Status kontrol daya reaktif : 1 is on; 0 is off
Vcr : Initial kondition magnitude tegangan kontverter seri (p.u.)
Tcr : Initial kondition sudut pasa tegangan konverter seri (rad.)
VcrLo : Minimum limit magnitude tegangan konverter seri (p.u.)
VcrHi : Maximum limit magnitude tegangan konverter seri (p.u.)
Vvr : Initial kondition magnitude tegangan konverter shunt (p.u.)
Tvr : Initial kondition sudut pasa tegangan konverter shunt (rad.)
VvrLo : Minimum limit magnitude tegangan konverter shunt (p.u.)
VvrHi : Maximum limit magnitude tegangan konverter shunt (p.u)
[12]
VvrTar : Target magnitude tegangan bus oleh konverter shunt (p.u.)
V. SIMPULAN DAN SARAN
A. Simpulan
Setelah dilakukan analisa dan pembahasan dari hasil simulasi ini maka dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu:
1. Pemasangan UPFC pada saluran telah meningkatkan tegangan dan menurunkan losispada sistem.
2. Pemasangan UPFC paling optimal untuk meningkatkan limit daya terdapat pada bus Bukit Kemuning ke bus Kota Bumi ( bus 3 ke 4 )ditandai dengan penurunan losissaluran sebesar 49.33% daya aktif dan 49.20% daya reaktif . 3. Pemasangan UPFC pada bus Kota Bumi ke bus Manggala ( bus 4 ke 5 )
B. Saran
Dari hasil penelitian dan simulasi yang telah dilakukan maka disarankan:
1. Metode untuk mencari lokasi penempatan UPFC dalam penelitian ini sangat diperlukan baik dengan metode algoritma atau lainnya.
2. Melakukan penelitian lebih lanjut dalam menentukan nilai control UPFC untuk memperoleh aliran daya yang lebih optimal.
DAFTAR PUSTAKA
1. Xi-Fan Wang, Yonghua song, Malcolm Irving. 2008. “Modern Power System Analysis”. Springer Science + Business Media, LLC.
2. Narain G. Hingorani, L. Gyugi. 2000. “Understanding FACTS Concepts and Technology of Flexible AC Transmission System”. IEEE Press.
3. Zhang, Rehtanz. Pal.2006. “Flexible AC Transmission Sytem Modelling and Control”. Springer Science + Business Media.
4. A. Mete Vural, Mehmet Tumay. 2007. “Mathematical modeling and analysis of a unified power flow controller: A comparison of two approaches in power flow studies and effects of UPFC location”. ScienceDirect.
5. Saadat, Hadi, “Power System Analysis”, McGraw Hill, Singapura, 1999.
6. Enrique Acha, Claudio R, Hugo Ambriz, Cesar Angeles,. 2004. “ FACTS
Modeling and Simulation in Power Network”. John Wiley & Sons, LTD. 7. M. Noroozian, L Angquist, M. Ghandari, G. Anderson. 1997 “Use of Upfc
for Optimal Power Flow Control”. IEEE
8. Marsudi, Ditjeng. 2006. “Operasi Sistem Tenaga Listrik”. Graha Ilmu.
9. Ahmed, Mohammad Othmand. 2011. “Enhancing the Performance of Flexible AC Transmission Systems (FACTS) by Computational Intelligence”. Doctoral Dissertation. Aalto University.
10. Suprihadi, Bakti. 2009. “Alokasi Kompensasi Daya Reaktif pada Saluran Distribusi 20 KV Untuk Mengurangi Rugi-Rugi Daya Menggunakan Metode
