ANALISIS STABILITAS TRANSIEN DAN LOAD SHEDDING PADA SAAT TERJADI GENERATOR OUTAGE PADA SISTEM TENAGA LISTRIK PT PERTAMINA (PERSERO) RU IV CILACAP

(1)

PADA SAAT TERJADI GENERATOR

OUTAGE

PADA

SISTEM TENAGA LISTRIK PT PERTAMINA

(PERSERO) RU IV CILACAP

Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan Untuk Mencapai Derajat Strata-1 Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

Disusun Oleh:

Slamet Setyo Utomo

20130120116

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA

(2)

i

PADA SAAT TERJADI GENERATOR

OUTAGE

PADA

SISTEM TENAGA LISTRIK PT PERTAMINA

(PERSERO) RU IV CILACAP

Diajukan Guna Memenuhi Persyaratan Untuk Mencapai Derajat

Strata-1 Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

Disusun Oleh:

Slamet Setyo Utomo

20130120116

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA

(3)

ii

SURAT PERNYATAAN

Saya yang bertanggungjawab di bawah ini dengan sebenarnya menyatakan bahwa penelitian ini saya buat tanpa ada tindak plagiarisme sesuai yang berlaku pada Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.

Jika dikemudian hari ternyata saya melakukan plagiarisme, saya akan bertanggungjawab sepenuhnya dan menerima sanksi yang dijatuhkan oleh Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.

Yogyakarta, 13 Februari 2017

(4)

(5)

v

Lantunan Al-Fatihah beriring shalawat dalam silahku merintih, Menandakan doa dalam syukur yang tiada terkira,

Terima kasihku untukmu.

Kupersembahkan sebuah karya kecil ini untuk Ayahanda dan Ibunda tercinta, Yang tiada pernah hentinya selama ini memberiku semangat, doa, dorongan,

Nasehat dan kasih sayang serta pengorbanan yang tak tergantikan, Hingga aku selalu kuat menjalani setiap rintangan yang ada di depanku,

Ayah, Ibu, terimalah bukti kecil ini sebagai kado keseriusanku, Untuk membalas semua pengorbananmu,

Dalam hidupmu demi hidupku kalian ikhlas mengorbankan, Segala perasaan tanpa kenal lelah

Dalam lapar berjuang separuh nyawa hingga segalanya, Adekku, Nanik Setya Utami yang kakak banggakan, Harus menjadi pribadi yang lebih baik lagi dari kakakmu ini,

(6)

vi

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena dengan rahmat, karunia, serta taufik dan hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Analisis Stabilitas Transien dan Load Shedding pada Saat Terjadi Generator Outagepada Sistem Tenaga Listrik PT Pertamina RU IV Cilacap”.

Dalam penyusunan skripsi ini, penulis menyadari bahwa berkat bantuan dan bimbingan dari semua pihak, akhirnya skripsi ini dapat penulis selesaikan. Untuk itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada yang terhormat:

1. Ir. Agus Jamal, M.Eng, selaku Kepala Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.

2. Ir. Slamet Suripto, M.Eng, selaku dosen pembimbing I yang telah banyak membantu, mengarahkan, membimbing, dan memberi motivasi hingga penyusunan skripsi ini dapat terselesaikan.

3. Rahmat Adiprasetya, S.T., M.Eng, selaku dosen pembimbing II yang telah memberikan bimbingan dan arahan dalam penyusunan skripsi ini.

4. Rama Okta Wiyagi, S.T., M.Eng, selaku dosen penguji yang telah banyak memberi masukan dan saran demi sempurnanya skripsi ini.

(7)

vii dalam penyusunan skripsi ini.

7. Kedua orangtua dan adik, yang telah memberikan dukungan spiritual, moril, semangat, dan motivasi untuk menyelesaikan skripsi ini.

8. Diana Dyah Palupi, S.Tr.Kep, yang selalu memberikan semangat dan motivasi untuk selalu menjaga kondisi kesehatan dalam penyusunan skripsi ini.

9. Teman-teman Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Yogyakarta yang tidak dapat disebutkan satu-persatu, yang telah memberikan dukungan moril dan spiritual.

10.Seluruh teman-teman greenkos yang selalu memberikat motivasi dan semangat dalam penyusunan skripsi ini.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini jauh dari sempurna karena keterbatasan kemampuan dan pengetahuan penulis. Untuk itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang mendukung dan membangun demi perbaikan dari skripsi ini. Akhir kata, penulis berharap agar skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khususnya.

Yogyakarta, Februari 2017

(8)

x

HALAMAN JUDUL... i

SURAT PERNYATAAN ... ii

HALAMAN PERSETUJUAN ... iii

HALAMAN PENGESAHAN... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN ...v

KATA PENGANTAR ... vi

ABSTRAK ... viii

ABSTRACT ... ix

DAFTAR ISI ...x

DAFTAR TABEL ... xiv

DAFTAR GAMBAR ... xvi

DAFTAR SIMBOL... xxi

BAB I PENDAHULUAN ...1

1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Rumusan Masalah ... 3

1.3 Batasan Masalah ... 4

1.4 Tujuan Penelitian ... 5

1.5 Manfaat Penelitian ... 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1 Tinjauan Pustaka ... 7

2.2 Landasan Teori ... 11

(9)

xi

2.2.2 Transien ... 17

2.2.2 Stabilitas Frekuensi ... 18

2.2.2.1 Hubungan Antara Frekuensi dan Daya Aktif ... 18 Penurunan Frekuensi ... 29

2.2.2.3.3 Pengaruh Kelebihan Beban ... 33

2.2.2.4 Prioritas Beban ... 34

2.2.2.4.1 Jenis Beban yang Dilepaskan ... 35

2.2.2.4.2 Perhitungan Beban yang Dilepaskan dan Frekuensi yang Diharapkan Setelah Pelepasan Beban ... 37

2.2.3 ETAP (Electrical Transient Analysis Program) ... 38

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...40

3.1 Lokasi Penelitian ... 40

3.2 Waktu Penelitian ... 40

3.3 Alat dan Bahan ... 41

(10)

xii

3.5.3 Sistem Pembangkit Tenaga Listrik ... 45

3.5.3.1 Mode Operasi Generator ... 48

3.5.3.2 Governor ... 50

3.5.3.3 Exciter ... 51

3.5.4 Sistem Transmisi dan Distribusi ... 51

3.5.5 Jenis Beban PT Pertamina RU IV Cilacap ... 51

3.5.6 Skema Pelepasan Beban PT Pertamina RU IV Cilacap ... 56

3.5.7 Pengaturan UFR (Under Frequency Relay) ... 58

3.5.8 Kombinasi Generator Lepas ... 60

BAB IV HASIL DAN ANALISIS ...62

4.1 Studi Kasus Simulasi Stabilitas Transien ... 62

4.2 Simulasi Stabilitas Transien ... 64

(11)

xiii

5.2 Saran ... 127

DAFTAR PUSTAKA ...128

(12)

xiv

Tabel 3.1 Pengaturan generator utilities I ... 45

Tabel 3.2 Pengaturan generator utilities II ... 46

Tabel 3.3 Pengaturan generator utilities IIA ... 47

Tabel 3.4 Daftar rata-rata beban tiap substation 13,8 kV/3,45 kV ... 53

Tabel 3.5 Skema pelepasan beban tahap pertama ... 56

Tabel 3.6 Skema pelepasan beban tahap kedua ... 57

Tabel 3.7 Skema pelepasan beban tahap ketiga ... 58

Tabel 3.8 Pengaturan UFR (Under Frequency Relay) ... 59

Tabel 3.9 Kombinasi generator lepas ... 61

Tabel 4.1 Studi kasus pembangkitan minimum dan generator trip ... 63

Tabel 4.2 Kondisi sistem tenaga listrik saat generator 51G2 trip... 64

Tabel 4.3 Kondisi sistem tenaga listrik saat generator 51G2 dan 51G3 trip ... 68

Tabel 4.4 Kondisi sistem tenaga listrik saat generator 51G2, 51G3, dan 51G301 trip ... 72

Tabel 4.5 Kondisi sistem tenaga listrik saat generator 051G101 trip... 79

Tabel 4.6 Kondisi sistem tenaga listrik saat generator 051G101 dan 051G102 trip ... 82

(13)

xv

Tabel 4.9 Kondisi sistem tenaga listrik saat generator 51G2, 051G101, dan

051G103 trip ... 103

Tabel 4.10 Kondisi sistem tenaga listrik saat generator 51G2, 51G3, 51G301 dan

051G102 trip ... 110

Tabel 4.11 Kondisi sistem tenaga listrik saat generator 051G101, 051G102 dan

(14)

xvi

Gambar 2.1 Klasifikasi stabilitas sistem tenaga listrik ... 12

Gambar 2.2 Grafik penurunan frekuensi dengan parameter konstanta inersia dan

persen overload ... 32

Gambar 3.1 Lokasi penelitian tugas akhir ... 40

Gambar 3.2 Diagram alir penelitian ... 42

Gambar 3.3 Single line diagram sistem tenaga listrik PT Pertamina RU IV

Cilacap ... 45

Gambar 4.1 Respon frekuensi pada saat generator 51G2 trip ... 65

Gambar 4.2 Perubahan daya aktif generator 51G3, 51G301, 51G201, 051G101,

051G102, dan 051G103 pada saat generator 51G2 trip ... 65

Gambar 4.3 Respon tegangan pada saat generator 51G2 trip ... 67

Gambar 4.4 Respon frekuensi pada saat generator 51G2 dan 51G3 trip ... 68

Gambar 4.5 Perubahan daya aktif generator 51G301, 51G201, 051G101,

051G102, dan 051G103 pada saat generator 51G2 dan 51G3 trip ... 69

Gambar 4.6 Respon tegangan pada saat generator 51G2 dan 51G3 trip ... 70

Gambar 4.7 Respon frekuensi pada saat generator 51G2, 51G3, dan 51G301 trip

(15)

xvii

pelepasan beban ... 74

Gambar 4.9 Respon tegangan pada saat generator 51G2, 51G3 dan 51G301 trip

tanpa pelepasan beban... 75

Gambar 4.10 Respon frekuensi pada saat generator 51G2, 51G3 dan 51G301 trip

setelah pelepasan beban ... 76

Gambar 4.11 Perubahan daya aktif generator 51G201, 051G101, 051G102, dan

051G103 pada saat generator 51G2, 51G3 dan 51G301 trip setelah pelepasan beban ... 77

Gambar 4.12 Respon tegangan pada saat generator 51G2, 51G3 dan 51G301 trip

Gambar 4.13 Respon frekuensi pada saat generator 051G101 trip ... 79

051G102, dan 051G103 pada saat generator 051G101 trip ... 80

Gambar 4.15 Respon tegangan pada saat generator 051G101 trip ... 81

Gambar 4.16 Respon frekuensi pada saat generator 051G101 dan 051G102 trip

tanpa pelepasan beban... 83

Gambar 4.17 Perubahan daya aktif generator 51G2, 51G3, 51G301, 51G201, dan

(16)

xviii

Gambar 4.20 Perubahan daya aktif generator 51G2, 51G3, 51G301, 51G201, dan

051G103 pada saat generator 051G101, 051G102 trip setelah pelepasan beban ... 86

Gambar 4.21 Respon tegangan pada saat generator 051G101 dan 051G102 trip

Gambar 4.22 Respon frekuensi pada saat generator 51G2 dan 051G103 trip tanpa

dan 051G102 pada saat generator 51G2 dan 051G103 trip tanpa

Gambar 4.24 Respon tegangan pada saat generator 51G2 dan 051G103 trip tanpa

dan 051G102 pada saat generator 51G2 dan 051G103 trip setelah

(17)

xix

Gambar 4.28 Respon frekuensi pada saat generator 51G3, 51G301, dan 051G102

trip tanpa pelepasan beban ... 96

051G103 pada saat generator 51G3, 51G301, dan 051G102 trip tanpa pelepasan beban ... 97

Gambar 4.30 Respon tegangan pada saat generator 51G3, 51G301, dan 051G102

trip tanpa pelepasan beban ... 98

Gambar 4.31 Respon frekuensi pada saat generator 51G3, 51G301, dan 051G102

trip dengan pelepasan beban ... 99

051G103 pada saat generator 51G3, 51G301, dan 051G102 trip setelah pelepasan beban ... 99

Gambar 4.33 Respon tegangan pada saat generator 51G3, 51G301, dan 051G102

trip setelah pelepasan beban ... 102

Gambar 4.34 Respon frekuensi pada saat generator 51G2, 051G101, dan

051G103 trip tanpa pelepasan beban ... 104

(18)

xx

Gambar 4.37 Respon frekuensi pada saat generator 51G2, 051G101, dan

051G103 trip setelah pelepasan beban ... 106

051G102 pada saat generator 51G2, 051G101, dan 051G103 trip setelah pelepasan beban ... 107

Gambar 4.39 Respon tegangan pada saat generator 51G2, 051G101, dan

Gambar 4.40 Respon frekuensi pada saat generator 51G2, 51G3, 51G301 dan

Gambar 4.41 Perubahan daya aktif generator 51G201, 051G101 dan 051G103

pada saat generator 51G2, 51G3, 51G301 dan 051G102 trip tanpa

Gambar 4.42 Respon tegangan pada saat generator 51G2, 51G3, 51G301 dan

Gambar 4.43 Respon frekuensi pada saat generator 51G2, 51G3, 51G301 dan

Gambar 4.44 Perubahan daya aktif generator 51G201, 051G101 dan 051G103

(19)

xxi

Gambar 4.46 Respon frekuensi pada saat generator 051G101, 051G102 dan

Gambar 4.47 Perubahan daya aktif generator 51G2, 51G3, 51G301 dan 51G201

pada saat generator 051G101, 051G102 dan 051G103 trip tanpa

Gambar 4.48 Respon tegangan pada saat generator 051G101, 051G102 dan

Gambar 4.49 Respon frekuensi pada saat generator 051G101, 051G102 dan

Gambar 4.50 Perubahan daya aktif generator 51G2, 51G3, 51G301 dan 51G201

pada saat generator 051G101, 051G102 dan 051G103 trip setelah

Gambar 4.51 Respon tegangan pada saat generator 051G101, 051G102 dan

(20)

xxii f = Frekuensi nominal (Hz)

P = Daya yang dibangkitkan generator (Watt)

τ = Momen gaya / kopel mekanik generator (Nm)

θ = Sudut rotasi (rad)

t = Waktu (s)

TG = Kopel penggerak mekanik generator (Nm)

TB = Torsi beban (Nm)

J = Momen inersia penggerak mekanik generator (kg.m2) ω = Kecepatan sudut putar generator (rad/s)

G = Rating MVA generator

H = Konstanta inersia generator (MJ/MVA) δ = Sudut torsi generator

f0 = Frekuensi nominal generator (Hz)

PA = Daya percepatan (W)

PM = Daya mekanik generator (W)

PE = Daya elektrik permintaan beban (W)

r = Jarak partikel ke sumbu putar (m) m = Massa benda (kg)

Ekrot = Energi kinetik rotasi (J)

I = Momen inersia (kg.m2)

(21)

xxiii

(22)

(23)

viii Skripsi, Februari 2017

Slamet Setyo Utomo

Analisis Stabilitas Transien dan Load Shedding pada saat Terjadi Generator Outage pada Sistem Tenaga Listrik

PT Pertamina (Persero) RU IV Cilacap

xxiii + 130 halaman + 20 tabel + 56 gambar + 5 lampiran

Abstrak

Stabilitas sistem tenaga listrik adalah kemampuan dari suatu sistem tenaga listrik untuk memberikan reaksinya terhadap gangguan dalam keadaan kerja normal serta kembali normal dalam keadaan semula. Stabilitas frekuensi bergantung pada kemampuan untuk mengembalikan keseimbangan antara sistem beban dan pembangkitan dengan meminimalisasi pelepasan beban. Sebagai perusahaan yang bergerak di bidang minyak bumi dan gas, PT Pertamina RU IV Cilacap memprioritaskan pelayanan listrik untuk kebutuhan proses produksi. Untuk menjaga keberlangsungan proses produksi diperlukan suatu sistem tenaga listrik yang handal. Untuk mempertahankan kestabilan sistem tenaga listrik akibat lepasnya generator dari sistem tenaga listrik, PT Pertamina RU IV Cilacap melakukan pelepasan beban, yaitu beban-beban yang apabila dilepas tidak mengganggu proses produksi kilang. Setelah dilakukan pelepasan beban dengan menggunakan UFR (under frequency relay), sistem tenaga listrik dapat kembali normal sesuai standar sistem tenaga listrik PT Pertamina RU IV Cilacap.

Daftar Pustaka: 2010 – 2016

(24)

ix Thesis, February 2017

Slamet Setyo Utomo

Transient Stability Analysis and Load Shedding When the Generator Outage on Power System of PT Pertamina

(Persero) RU IV Cilacap

xxiii + 130 pages + 20 table + 56 pictures + 5 attachment

Abstract

The stability of the power system is the ability of an electricity system to give his reaction against a disruption in normal working state as well as returning to normal in original state. Frequency stability depends on the ability to restore balance between load and generation system by minimizing load discharge. As a company angaged in the field of petroleum and gas, PT Pertamina (Persero) RU IV Cilacap prioritize service needs for the electricity productios process. To maintain the sustainability of the production process needed a reliable power system. To maintain the stability of the power system due to the loss of a generator of electric power system, PT Pertamina (Persero) RU IV Cilacap did the release of load, the load is a load which when removed do not interfere with the process of the production of the refinery. After the release of the load by using UFR (under frequency relay), power system can be back to normal according to the standard power system PT Pertamina (Persero) RU IV Cilacap.

Bibliography: 2010 – 2016

(25)

1

1.1 Latar Belakang

Sistem tenaga listrik merupakan sekumpulan pusat listrik dan gardu induk

atau pusat beban yang satu sama lain dihubungkan oleh jaringan transmisi sehingga

merupakan sebuah kesatuan interkoneksi. Komponen tersebut mempunyai fungsi

yang saling berkaitan untuk menghasilkan energi listrik yang disalurkan ke

konsumen dengan kualitas yang baik. Beberapa gangguan yang terjadi pada sistem

tidak akan berpengaruh pada sistem yang lain apabila didukung dengan proteksi

yang memenuhi syarat (Marsudi, 2016).

Suatu sistem tenaga listrik dikatakan baik apabila memenuhi beberapa

persyaratan yaitu, sistem harus mampu memberi pasokan listrik secara terus

menerus dengan kualitas tegangan dan frekuensi sesuai dengan aturan yang berlaku,

apabila terjadi gangguan sistem harus kembali normal. Untuk sistem jaringan yang

sangat komplek dimana pembangkit yang saling terkoneksi satu sama lain, maka

daya elektris besaran seperti tegangan dan frekuensi harus diperhatikan agar tidak

ada pembangkit yang kelebihan beban (Nugroho, 2011).

Stabilitas sistem tenaga listrik adalah kemampuan dari suatu sistem tenaga

listrik untuk memberikan reaksinya terhadap gangguan dalam keadaan kerja normal

serta kembali normal dalam keadaan semula. Stabilitas sistem tenaga listrik

digolongkan menjadi tiga jenis yaitu kestabilan transien, kestabilan dinamis, dan

(26)

Stabilitas frekuensi terkait dengan kemampuan sebuah sistem tenaga listrik

untuk mempertahankan frekuensi tunak dengan kisaran nominal mengikuti

beberapa gangguan sistem yang menghasilkan ketidakseimbangan yang signifikan

antara pembangkitan dan beban. Hal ini bergantung pada kemampuan untuk

mengembalikan keseimbangan antara sistem beban dan pembangkitan dengan

meminimalisasi pelepasan beban (Winanti, 2011).

Load Shedding merupakan suatu bentuk tindakan pelepasan beban yang

terjadi secara otomatis atau manual untuk pengamanan operasi pembangkit dari

kemungkinan terjadinya padam total (black out). Load Shedding perlu dilakukan

untuk melindungi sistem maupun mencegah terjadinya pemadaman yang meluas

atau bahkan pemadaman total (black out). Dengan melepaskan sebagian beban

maka beban yang dipikul oleh sistem berkurang, sehingga kestabilan sistem tenaga

listrik dapat kembali normal dan stabil sesegera mungkin.

PT Pertamina RU IV Cilacap memiliki sebuah sistem yang cukup besar dan

komplek. PT Pertamina RU IV Cilacap memiliki 8 unit pembangkit. 4 unit

pembangkit dengan kapasitas 20 MW dan 4 unit pembangkit sisanya dengan

kapasitas 8 MW. Total substation di PT Pertamina RU IV Cilacap berjumlah 32

substation. Dimana masing-masing substation mempunyai beban statis dan motor.

Sistem kelistrikan di PT Pertamina RU IV Cilacap dibagi menjadi 3 Utilities, yaitu

Utilities I, Utilities II dan Utilities IIA (Nugroho, 2011).

Sebagai perusahaan yang bergerak di bidang minyak bumi dan gas, PT

Pertamina RU IV Cilacap memprioritaskan pelayanan listrik untuk kebutuhan

(27)

sistem tenaga listrik yang handal. Untuk menjaga kehandalan sistem tenaga listrik

tersebut dibutuhkan suatu sistem proteksi yang mampu mengisolir gangguan

secepat mungkin. Gangguan sistem tenaga listrik yang ada di PT Pertamina RU IV

Cilacap adalah gangguan hubung singkat, peralatan proteksi yang gagal bekerja,

overhaul generator, turunnya temperatur steam, penurunan frekuensi sistem, dan

lepasnya generator dari sistem. Lepasnya generator dari sistem tenaga listrik

menyebabkan kestabilan frekuensi, tegangan, dan sudut rotor menjadi tidak stabil

dan mengakibatkan suplai daya berkurang, sehingga kondisi sistem tenaga listrik

menjadi tidak stabil.

Untuk mempertahankan kestabilan sistem tenaga listrik, PT Pertamina RU

IV Cilacap melakukan pelepasan beban, yaitu beban-beban yang apabila dilepas

tidak mengganggu proses produksi kilang. Dalam penelitian tugas akhir ini akan

dibahas mengenai stabilitas transien dan load shedding pada saat terjadi generator

outage pada sistem tenaga listrik PT Pertamina RU IV Cilacap. Sistem tenaga listrik

disimulasikan dengan menggunakan software ETAP (Electric Transient and

Analysis Program).

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan masalah yang

ada di PT Pertamina RU IV Cilacap. Beberapa permasalahan yang muncul

diantaranya adalah sebagai berikut:

1. Bagaimana stabilitas transien sistem tenaga listrik di PT Pertamina (Persero)

(28)

2. Bagaimana stabilitas transien sistem tenaga listrik di PT Pertamina (Persero)

RU IV Cilacap setelah pelepasan beban?

1.3 Batasan Masalah

Dalam penyusunan laporan tugas akhir ini batasan masalah yang ada di PT

Pertamina RU IV Cilacap sebagai berikut:

1. Sistem tenaga listrik yang digunakan sebagai objek penelitian adalah sistem

tenaga listrik PT Pertamina RU IV Cilacap.

2. Jenis gangguan yang digunakan dalam analisis stabilitas transien adalah

lepasnya beberapa generator dari sistem tenaga listrik PT Pertamina (Persero)

RU IV Cilacap.

3. Mekanisme pelepasan beban dilakukan secara otomatis dengan menggunakan

UFR (Under Frequency Relay).

4. Mekasisme pelepasan beban secara manual ketika UFR (Under Frequency

Relay) sudah bekerja secara maksimum, namun sistem masih dalam kondisi

abnormal tidak disimulasikan dalam penelitian tugas akhir ini.

5. Tahapan pelepasan beban dilakukan tiga tahap pelepasan yaitu pelepasan tahap

pertama ketika frekuensi mencapai nilai 49 Hz, tahap kedua 48,5 Hz, dan

pelepasan beban tahap ketiga dilakukan ketika frekuensi mencapai nilai 47,5

Hz.

6. Frekuensi nominal sistem tenaga listrik yang menjadi objek penelitian tugas

(29)

7. Rentang frekuensi yang diperbolehkan dalam sistem tenaga listrik sesuai

dengan standar yang dimiliki PT Pertamina RU IV Cilacap adalah 49 Hz - 51

Hz.

8. Tegangan sistem tenaga listrik yang digunakan sebagai acuan kondisi normal

sistem tenaga listrik adalah 13,8 kV.

9. Analilis stabilitas tegangan ketika terjadi gangguan dan setelah pelepasan

beban berdasarkan penurunan frekuensi, hanya dilakukan analisis stabilitas

tegangan untuk mengetahui respon tegangan tanpa dilakukan aksi apapun.

1.4 Tujuan Penelitian

Dalam laporan tugas akhir ini tujuan yang ingin dicapai adalah sebagai

berikut:

1. Mengetahui stabilitas transien sistem tenaga listrik di PT Pertamina (Persero)

RU IV Cilacap pada saat terjadi gangguan.

2. Mengetahui stabilitas transien sistem tenaga listrik di PT Pertamina (Persero)

RU IV Cilacap pada saat setelah pelepasan beban.

1.5 Manfaat Penelitian

Berdasarkan tujuan dari penulisan laporan tugas akhir ini, manfaat yang

dapat diambil dari penelitian ini adalah:

1. Manfaat teoritis

a. Bagi perkembangan ilmu pengetahuan, penelitian ini dapat dijadikan

(30)

tenaga listrik pada saat sebelum terjadi gangguan, dan setelah terjadi

pelepasan beban.

b. Bagi peneliti lanjut, hasil penelitian ini dapat dijadikan bahan pertimbangan

dan acuan untuk penelitian lebih lanjut sehingga dapat menghasilkan

penelitian yang lebih bermanfaat.

2. Manfaat Praktis

a. Bagi Mahasiswa, penelitian ini dapat dijadikan sebagai bahan wacana untuk

meningkatkan wawasan dan pengetahuan dalam menganalisis kondisi

sistem tenaga listrik pada saat terjadi gangguan sampai setelah pelepasan

beban.

b. Bagi perusahaan, diharapkan penelitian ini dapat meningkatkan kehandalan

(31)

7

2.1 Tinjauan Pustaka

Rujukan penelitian yang pernah dilakukan untuk mendukung penulisan

tugas akhir ini antara lain:

a. Berdasarkan hasil penelitian Denny Yusuf Sepriawan (2014) tentang Analisis

Stabilitas Transien dan Perancangan Pelepasan Beban pada Joint Operating

Body Pertamina-Petrochina East Java (JOB P-PEJ) Tuban, dapat disimpulkan

bahwa pada operasi sistem tenaga listrik, kestabilan sistem adalah hal yang

sangat penting untuk melayani beban secara kontinyu dengan tegangan,

frekuensi yang memenuhi standar. Jika terjadi gangguan pada sistem yang

menyebabkan besarnya suplai daya yang dihasilkan oleh pembangkit tidak

mencukupi kebutuhan beban misalnya karena adanya pembangkit yang lepas

(trip), maka untuk mencegah terjadinya ketidakstabilan sistem perlu dilakukan

pelepasan beban (load shedding). Keadaan yang kritis pada sistem dapat

dideteksi melalui frekuensi sistem yang menurun dengan cepat. Standar yang

digunakan untuk pengendalian frekuensi diatur oleh pemerintah melalui

peraturan menteri energi dan sumber daya mineral nomor: 03 tahun 2007. Yang

diatur dalam aturan operasi OC.3 tentang pengendalian frekuensi. Disebutkan

bahwa, frekuensi sistem dipertahankan kisaran +/- 0,2 Hz atau 99,6% di sekitar

50 Hz, kecuali dalam periode singkat, dimana penyimpangan sebesar +/- 0,5

(32)

b. Menurut Ovi Eka Putri (2016) dalam penelitian tentang Evaluasi Mekanisme

Pelepasan Beban Pada Sistem Tenaga Listrik PT Pertamina RU IV Cilacap.

Berdasarkan penelitian tersebut disimpulkan bahwa, apabila terdapat generator

lepas dari sistem dalam keadaan pembangkitan normal maupun pembangkitan

minimum, maka suplai energi dari generator dan permintaan beban menjadi

tidak seimbang dan frekuensi sistem akan turun. Bahkan, ketika tiap-tiap

governor dari generator tidak mampu memulihkan frekuensi ke frekuensi

normal, pemadaman total akan terjadi. Untuk mengatasi kondisi tersebut,

pelepasan beban dapat melindungi sistem secara efektif dari penurunan

frekuensi.

c. Menurut Chairy Wahyu Winanti (2011) dalam penelitian tentang Analisis

Statis dan Dinamis Stabilitas Tegangan Sistem Tenaga Listrik CNOOC SES

Ltd. Berdasarkan penelitian tersebut disimpulkan bahwa gangguan pada sistem

tenaga listrik dapat memicu ketidakstabilan tegangan sistem. Ketidakstabilan

tegangan sistem dapat menyebabkan runtuh tegangan yang kemudian berakhir

dengan black out sebagian atau seluruh sistem. Sehingga penting untuk

menjaga stabilitas tegangan sistem. Analisis statis dan dinamis stabilitas

tegangan sistem tenaga listrik CNOOC SES Ltd. menggunakan skema

pelepasan beban undervoltage.

d. Menurut Aryo Nugroho (2011) dalam penelitian tentang Analisa Transient

Stability dan pelepasan beban pengembangan sistem integrasi 33 kV di PT

Pertamina RU IV Cilacap, disimpulkan bahwa PT. Pertamina RU IV Cilacap

(33)

Pertamina. PT Pertamina RU IV Cilacap mengoperasikan pembangkit listrik

dengan kapasitas 4 x 8 MW dan 4 x 20 MW. Akibat dari penambahan beban

pada PT Pertamina RU IV Cilacap mengakibatkan adanya penambahan

pembangkit baru dengan kapasitas 3 x 15 MW pada sistem kelistrikan di

lingkungan PT Pertamina RU IV Cilacap, maka dari itu diperlukan pemodelan

sistem yang dapat digunakan untuk menganalisa kinerja secara keseluruhan

akibat adanya perubahan konfigurasi maupun pengembangan jaringan.

e. Menurut Gede Arjana Permana Putra (2012) dalam penelitiannya tentang

Analisis Stabilitas Transient pada Sistem Tenaga Listrik Dengan

Mempertimbangkan Beban Non-Linier, disimpulkan bahwa kestabilan

menjadi hal yang utama dalam operasi sistem tenaga listrik. Banyak hal yang

dapat mempengaruhi kestabilan sistem tenaga listrik, salah satunya adalah

beban nonlinear yang mempengaruhi kestabilan transien. Dimana disini beban

nonlinear memberikan dampak fluktuasi terhadap tegangan dan arus pada

sistem tenaga listrik. Sehingga terjadi ketimpangan antara daya input mekanis

(prime mover) dengan daya output elektris (beban), yang secara tidak langsung

mempengaruhi putaran rotor generator, sehingga menyebabkan percepatan

(acceleration) dan perlambatan (deceleration).

Berdasarkan penelusuran terhadap judul penelitian tugas akhir (skripsi)

yang ada pada program studi teknik elektro tentang stabilitas sistem tenaga listrik

(34)

Pertamina RU IV Cilacap, ditemukan sedikitnya dua (2) judul penelitian tugas akhir

(skripsi) yaitu:

1. Penelitian tugas akhir (Skripsi) atas nama Ovi Eka Putri (2016) dengan judul

Evaluasi Mekanisme Pelepasan Beban Pada Sistem Tenaga Listrik PT

Pertamina RU IV Cilacap.

2. Penelitian tugas akhir (Skripsi) atas nama Aryo Nugroho (2011) dengan judul

tentang Analisa Transient Stability dan Pelepasan Beban Pengembangan

Sistem Integrasi 33 kV di PT Pertamina RU IV Cilacap.

Penelitian tugas akhir (Skripsi) ini berbeda dengan penelitian tugas akhir

(Skripsi) tersebut diatas. Penelitian tugas akhir (Skripsi) yang pertama fokus pada

evaluasi mekanisme pelepasan beban berdasarkan penurunan frekuensi dan

perbandingan skenario pembangkitan minimum dengan pembangkitan normal serta

analisis penerapan standar IEEE C37-106 2003 pada mekanisme pelepasan beban

sistem tenaga listrik PT Pertamina RU IV Cilacap, tetapi tidak membahas tentang

analisis stabilitas transien dan load shedding pada sistem tenaga listrik PT

Pertamina RU IV Cilacap dengan berbagai macam variasi pembangkit lepas dari

sistem tenaga listrik. Sementara penelitian tugas akhir (Skripsi) yang kedua

mengarah pada analisis stabilitas transien dan pelepasan beban pengembangan

sistem integrasi 33 kV di PT Pertamina RU IV Cilacap dengan penambahan sistem

integrasi 3 pembangkit yang berkapasitas masing-masing pembangkit 15 MW.

Oleh karena itu, keaslian penelitian tugas akhir ini dapat

dipertanggungjawabkan dan sesuai dengan asas-asas keilmuan yang harus

(35)

implikasi etis dari proses menemukan kebenaran ilmiah sehingga dengan demikian

penelitian ini dapat dipertanggungjawabkan kebenarannya secara ilmiah, keilmuan,

dan terbuka untuk kritisi yang sifatnya konstruktif (membangun).

2.2 Landasan Teori

2.2.1 Stabilitas Sistem Tenaga Listrik

Suatu sistem tenaga listrik yang baik harus memenuhi beberapa syarat,

seperti reliability, quality, dan stability (Rosalina, 2010).

Reliability adalah kemampuan suatu sistem tenaga listrik untuk

menyalurkan daya atau energi secara terus menerus (Rosalina, 2010).

Quality adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk menghasilkan

besaran-besaran standar yang ditetapkan untuk tegangan dan frekuensi (Rosalina,

2010).

Stabilitas sistem tenaga listrik adalah kemampuan dari suatu sistem tenaga

listrik untuk memberikan reaksinya terhadap gangguan dalam keadaan kerja normal

serta kembali normal dalam keadaan semula. Stabilitas sistem tenaga listrik

digolongkan menjadi tiga jenis yaitu kestabilan transien, kestabilan dinamis, dan

kestabilan keadaan tetap (Stevenson, 1983).

Sistem tenaga listrik merupakan sekumpulan pusat listrik dan gardu induk

atau pusat beban yang satu sama lain dihubungkan oleh jaringan transmisi sehingga

merupakan sebuah kesatuan interkoneksi. Komponen tersebut mempunyai fungsi

yang saling berkaitan untuk menghasilkan energi listrik yang disalurkan ke

(36)

tidak akan berpengaruh pada sistem yang lain apabila didukung dengan proteksi

yang memenuhi syarat (Marsudi, 2016).

Respon sistem tenaga listrik terhadap gangguan dapat mempengaruhi

kondisi peralatan. Sebuah gangguan pada elemen yang kritis dapat menyebabkan

variasi pada aliran daya, tegangan bus jaringan, dan kecepatan rotor mesin. Variasi

tegangan akan mengaktifkan exciter pada generator, variasi beban akan

mengaktifkan governor untuk menyesuaikan kecepatan generator, serta variasi

tegangan dan frekuensi akan mempengaruhi beban sistem menjadi bervariasi

bergantung pada karakteristik masing-masing. Divais yang digunakan untuk

melindungi peralatan tertentu dapat memberikan respon pada variasi variabel

sistem dan mempengaruhi unjuk kerja sistem tenaga listrik. Sehingga,

ketidakstabilan pada sistem tenaga listrik mungkin terjadi dalam bentuk yang

berbeda bergantung pada topologi sistem, mode operasi, dan bentuk gangguan

(Winanti, 2011).

(37)

Gambar 2.1 menunjukkan sebuah kemungkinan klasifikasi stabilitas sistem

tenaga listrik ke dalam tiga bagian, yaitu stabilitas sudut rotor, stabilitas frekuensi,

dan stabilitas tegangan (Winanti, 2011).

Stabilitas sudut rotor dihubungkan dengan kemampuan mesin sinkron yang

terinterkoneksi dalam sebuah sistem tenaga listrik untuk berada dalam keadaan

sinkron di bawah kondisi operasi setelah mengalami gangguan. Hal ini bergantung

pada kemampuan untuk mempertahankan atau mengembalikan kesetimbangan

antara torsi elektromagnetik dan torsi mekanik masing-masing mesin sinkron pada

sistem. Ketidakstabilan dapat menyebabkan terjadinya kenaikan sudut ayunan

beberapa generator menuju kehilangan sinkronisasinya dengan generator lain.

Kehilangan sinkronisasi dapat terjadi antara satu mesin dengan sistem, atau antara

beberapa kelompok mesin, antara sinkronisasi yang dipertahankan dengan

masing-masing kelompok setelah pemisahan satu sama lain. Kestabilan sudut rotor dibagi

menjadi dua kategori, yaitu stabilitas gangguan kecil (keadaan tunak) dan stabilitas

pada keadaan transien (Winanti, 2011).

Stabilitas tegangan berhubungan dengan kemampuan suatu sistem tenaga

listrik untuk mempertahankan tegangan tunak pada seluruh bus dalam sistem yang

berada di bawah kondisi operasi normal setelah mengalami gangguan.

Ketidakstabilan mungkin terjadi dalam bentuk kenaikan atau penurunan tegangan

pada beberapa bus secara progresif. Akibat dari ketidakstabilan tegangan adalah

lepasnya beban pada area dimana tegangan mencapai nilai rendah yang baik dapat

(38)

Faktor utama penyebab ketidakstabilan tegangan biasanya adalah jatuh

tegangan yang terjadi ketika daya aktif dan reaktif mengalir melalui reaktansi

induktif yang ada pada jaringan transmisi. Hal ini membatasi kemampuan jaringan

transmisi untuk mengirim daya. Transfer daya akan semakin terbatas ketika

beberapa generator mencapai batas kemampuan daya reaktifnya. Pemicu utama

ketidakstabilan tegangan adalah beban. Dalam merespon sebuah gangguan, daya

yang dikonsumsi beban dipulihkan oleh aksi dari regulator tegangan distribusi dan

transformator on load tap changing. Pemulihan beban meningkatkan tekanan pada

jaringan tegangan tinggi menyebabkan lebih banyak pengurangan tegangan. Situasi

tersebut menyebabkan terjadi ketidakstabilan tegangan ketika beban dinamis

berusaha memulihkan konsumsi daya di luar kemampuan sistem transmisi dan

pembangkit yang terhubung (Winanti, 2011).

Stabilitas tegangan berkaitan dengan daerah beban dan karakteristik beban.

Stabilitas sudut rotor berhubungan dengan pembangkit listrik kecil yang terintegrasi

dengan sebuah sistem besar melalui saluran transmisi yang panjang. Stabilitas

tegangan merupakan stabilitas beban, sedangkan stabilitas sudut rotor merupakan

stabilitas generator. Sehingga apabila terjadi runtuh tegangan (voltage collapse)

pada sebuah sistem transmisi yang jauh dari beban, hal itu merupakan

ketidakstabilan sudut rotor. Jika runtuh tegangan terjadi pada daerah beban, hal

tersebut sebagian besar disebabkan oleh masalah ketidakstabilan tegangan

(Winanti, 2011).

(39)

Biasanya beberapa gangguan sistem menghasilkan pergeseran frekuensi,

aliran daya, tegangan, dan variabel lainnya secara signifikan. Dengan demikian aksi

dari proses, kendali, dan proteksi tidak dimodelkan dalam stabilitas transien

konvensional atau studi stabilitas tegangan. Proses ini bisa sangat lambat atau hanya

terpicu untuk kondisi sistem ekstrim, misalnya pemutusan proteksi volt/hertz

generator. Dalam sistem tenaga listrik terinterkoneksi yang cukup besar, situasi

jenis ini adalah yang paling umum berhubungan dengan sistem pulau (islanding).

Umumnya, masalah stabilitas frekuensi berhubunngan dengan tidak memadainya

respon peralatan, koordinasi yang buruk pada peralatan proteksi dan kendali, atau

ketersediaan pembangkitan yang kurang (Winanti, 2011).

Menurut Stevenson (1983) analisis kestabilan biasanya digolongkan

kedalam tiga jenis, tergantung pada sifat dan besarnya gangguan yaitu:

a. Kestabilan keadaan tetap (Steady State Stability)

b. Kestabilan dinamis (Dynamic Stability)

(40)

2.2.1.1 Kestabilan Keadaan Tetap (Steady State Stability)

Kestabilan keadaan tetap adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk

menerima gangguan kecil yang bersifat gradual, yang terjadi disekitar titik

keseimbangan pada kondisi tetap (Rosalina, 2010).

Kestabilan ini tergantung pada karakteristik komponen yang terdapat pada

sistem tenaga listrik antara lain: pembangkit, beban, jaringan transmisi, dan kontrol

sistem. Model pembangkit yang digunakan adalah pembangkit yang sederhana

(sumber tegangan konstan) karena hanya menyangkut gangguan kecil disekitar titik

keseimbangan (Rosalina, 2010).

2.2.1.2 Kestabilan Dinamis (Dynamic Stability)

Kestabilan dinamis adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk kembali

ke titik keseimbangan setelah timbul gangguan yang relatif kecil secara tiba-tiba

dalam waktu yang lama. Analisis kestabilitas dinamis lebih komplek karena juga

memasukkan komponen kontrol otomatis dalam perhitungannya (Rosalina, 2010).

2.2.1.3 Kestabilan Peralihan (Transient Stability)

Kestabilan peralihan adalah kemampuan sistem untuk mencapai titik

keseimbangan/sinkronisasi setelah mengalami gangguan yang besar sehingga

sistem kehilangan stabilitas karena gangguan terjadi diatas kemampuan sistem

(Rosalina, 2010).

Analisis kestabilan peralihan merupakan analisis yang utama untuk

(41)

a. Perubahan beban yang mendadak karena terputusnya unit pembangkit.

b. Perubahan pada jaringan transmisi misalnya gangguan hubung singkat atau

pemutusan saklar (switching).

Sistem daya listrik masa kini jauh lebih luas, ditambah interkoneksi antar

sistem yang rumit dan melibatkan beratus-ratus mesin yang secara dinamis saling

mempengaruhi melalui perantara jala-jala tegangan ekstra tinggi, mesin-mesin ini

mempunyai sistem penguatan yang berhubungan. Kisaran masalah yang dianalisis

banyak menyangkut gangguan yang besar dan tidak lagi memungkinkan

menggunakan proses kelinieran. Masalah kestabilan peralihan dapat lebih lanjut

dibagi kedalam kestabilan ayunan pertama (first swing) dan ayunan majemuk (multi

swing). Kestabilan ayunan pertama didasarkan pada model generator yang cukup

sederhana tanpa memasukkan sistem pengaturannya, biasanya periode waktu yang

diselidiki adalah detik pertama setelah timbulnya gangguan pada sistem. Bila pada

sistem, mesin dijumpai tetap berada dalam keadaan serempak sebelum berakhirnya

detik pertama, ini dikatagorikan sistem masih stabil (Rosalina, 2010).

2.2.2 Transien

Transien atau peralihan merupakan suatu keluaran dari keadaan perubahan

mendadak pada sistem tenaga listrik pada saat terjadi switching saluran atau

timbulnya gangguan pada sistem tersebut. Waktu transien umumnya sangat singkat

dibandingkan dengan waktu keadaan tunak. Masa transien menjadi sangat penting

dalam sistem karena pada masa tersebut suatu perubahan mendadak akan

(42)

hal ekstrim akan mengakibatkan kerusakan fatal pada sistem tenaga listrik

(Winarsih, 2002)

2.2.3 Stabilitas Frekuensi

untuk mempertahankan frekuensi tunak dengan kisaran nominal mengikuti

2.2.3.1 Hubungan Antara Frekuensi dan Daya Aktif

Sistem tenaga listrik harus mampu menyediakan tenaga listrik bagi para

pelanggan dengan frekuensi yang praktis konstan. Penyimpangan frekuensi dari

nilai nominal harus selalu dalam batas toleransi yang diperbolehkan. Daya aktif

mempunyai hubungan erat dengan nilai frekuensi dalam sistem, sedangkan beban

sistem yang berupa daya aktif maupun reaktif selalu berubah sepanjang waktu.

Untuk mempertahankan frekuensi dalam batas toleransi yang diperbolehkan,

penyediaan/pembangkitan daya aktif dalam sistem harus disesuaikan dengan

kebutuhan pelanggan atas daya aktif, harus selalu disesuaikan dengan beban daya

aktif. Penyesuaian daya aktif ini dilakukan dengan mengatur besarnya kopel

(43)

Menurut Nugraheni (2011) daya dalam gerak lurus dapat didefinisikan

sebagai gaya yang dialami suatu benda yang bergerak pada jarak tertentu per satuan

waktu. Hal ini juga berlaku bagi daya yang dihasilkan generator. Generator

memiliki bagian yang berputar, sehingga tinjauan daya yang dihasilkan generator

adalah daya yang dihasilkan oleh suatu benda berputar (rotasi) dan bukan

merupakan benda statis. Oleh sebab itu, daya yang dihasilkan generator dapat

didefinisikan sebagai momen gaya (torsi) yang dialami generator yang berputar

sebesar sudut tertentu per satuan waktu.

P = � � (2.1)

Dengan P = daya yang dibangkitkan generator (Watt)

Dengan � = momen gaya / kopel mekanik generator (Nm)

Dengan θ = sudut rotasi (rad)

Dengan t = waktu (s)

Besarnya perubahan sudut rotasi dari bagian generator yang berputar per

satuan waktu merupakan nilai dari kecepatan sudut generator tersebut.

P = �ω = �.2πf

P ≈ �

(2.2)

(2.3)

Dari persamaan di atas terlihat bahwa perubahan daya aktif yang

dibangkitkan generator akan menyebabkan perubahan pada torsi kerja. Perubahan

torsi kerja ini akan mempengaruhi frekuensi sistem. Perubahan daya aktif yang

dihasilkan generator terjadi apabila permintaan daya oleh beban berubah. Hal ini

tidak boleh dibiarkan terjadi karena generator memiliki rentang frekuensi kerja

(44)

tersebut akan cepat mengalami kerusakan. Oleh sebab itu, untuk mempertahankan

besarnya frekuensi sistem diperlukan pengaturan pada besarnya kopel mekanis

penggerak generator (Nugraheni, 2011).

Menurut Nugraheni (2011) Kopel mekanis penggerak generator berkaitan

dengan besarnya bahan bakar yang digunakan untuk menggerakkan prime mover

atau turbin. Pengaturan ini dilakukan oleh governor. Untuk mendapatkan frekuensi

konstan, besarnya kopel mekanis penggerak generator sama dengan besarnya torsi

beban. Ketika kopel mekanis penggerak generator kurang dari torsi beban maka

frekuensi generator semakin lama semakin menurun. Ketika kopel mekanis

penggerak generator lebih besar daripada torsi beban maka semakin lama frekuensi

generator semakin meningkat. Frekuensi yang diinginkan adalah konstan di rentang

yang diijinkan, untuk mendapatkan keadaan tersebut, hal ini merupakan tugas dari

governor untuk mengatur banyaknya bahan bakar yang digunakan. Hal ini dapat

dinyatakan sebagai berikut:

TG– TB = J �= J2π (2.4)

Dengan TG = kopel penggerak mekanik generator (Nm)

Dengan TB = torsi beban (Nm)

Dengan J = momen inersia penggerak mekanik generator (kg.m2₎

Dengan ω = kecepatan sudut putar generator (rad/s)

t = waktu (s)

(45)

a. Jika kopel penggerak mekanik generator lebih besar daripada torsi beban maka

perubahan kecepatan sudut putar generator terhadap waktu bernilai positif,

artinya frekuensi generator semakin meningkat.

b. Jika kopel penggerak mekanik generator bernilai sama dengan torsi beban

maka perubahan kecepatan sudut putar generator terhadap waktu bernilai nol,

artinya kecepatan sudut tetap setiap satuan waktu akibatnya frekuensi sistem

konstan.

c. Jika kopel penggerak mekanik generator bernilai lebih kecil daripada torsi

beban maka perubahan kecepatan sudut putar generator terhadap waktu

bernilai negatif, artinya kecepatan sudut putar semakin lama semakin

melambat dan frekuensinya semakin turun.

2.2.3.2 Pelepasan Beban

Jika terdapat gangguan dalam sistem tenaga listrik yang menyebabkan daya

yang tersedia tidak cukup untuk memenuhi beban, misalnya karena ada gangguan

berupa lepasnya beberapa pembangkit dari sistem, maka untuk menghindarkan

sistem menjadi collapsed perlu dilakukan pelepasan beban. Keadaan yang kritis

dalam sistem karena lepasnya beberapa unit pembangkit dapat dideteksi melalui

frekuensi sistem yang menurun dengan cepat (Marsudi, 2016).

Menurut Nugraheni (2011) adanya ketidaknormalan yang disebabkan oleh

(46)

a. Adanya pembangkit yang lepas dari sistem yang mengakibatkan beban yang

seharusnya disuplai oleh pembangkit tersebut menjadi tanggungan pembangkit

lain.

b. Adanya gangguan pada saluran transmisi sehingga ada beberapa beban yang

tidak dapat disuplai oleh salah satu pembangkit dalam sistem interkoneksi.

2.2.3.2.1 Akibat Beban Lebih

Menurut Nugraheni (2011) gangguan berupa beban lebih dapat

mempengaruhi keseimbangan antara daya yang dibangkitkan dan permintaan beban

sehingga menyebabkan beberapa hal yang dapat mengganggu kestabilan sistem,

yaitu:

a. Penurunan tegangan sistem

b. Penurunan frekuensi sistem

Suatu sistem tenaga listrik beserta komponennya memiliki spesifikasi aman

tertentu berkaitan dengan tegangan. Setiap komponen memiliki nilai batas bawah

dan batas atas tegangan operasi sistem. Hal ini berkaitan dengan pengaruh

ketidakstabilan dan kualitas tegangan yang dapat mengakibatkan kerusakan pada

peralatan (Nugraheni, 2011).

Sebagian besar beban pada suatu sistem tenaga listrik memiliki faktor daya

tertinggal (lagging) sehingga membutuhkan suplai daya reaktif yang cukup tinggi.

Ketika terjadi gangguan pada salah satu generator dalam sistem interkoneksi maka

pada generator yang lain akan terjadi kelebihan beban. Sehingga kebutuhan daya

(47)

mampu dihasilkan oleh generator dan arus yang ditarik pun semakin meningkat.

Akibatnya turun tegangan yang terjadi semakin besar dan menyebabkan kondisi

yang tidak aman bagi generator. Untuk mengatasi hal tersebut diperlukan suatu

pelepasan beban. Namun, turun tegangan bisa juga diakibatkan oleh adanya

gangguan lain seperti misalnya gangguan hubung singkat. Sehingga dalam hal ini

penurunan frekuensi merupakan acuan yang lebih baik untuk melakukan pelepasan

beban (Nugraheni, 2011).

Pada dasarnya setiap generator memiliki spesifikasi tertentu berkaitan

dengan rentang frekuensi kerja yang diijinkan beserta waktu operasi dari frekuensi

tersebut. Penurunan frekuensi yang disebabkan oleh adanya beban lebih sangat

membahayakan generator. Hal ini diakibatkan oleh kondisi generator yang

mengalami kekurangan daya aktif sehingga daya aktif yang dihasilkan generator

tidak dapat memenuhi permintaan beban. Akibatnya frekuensi yang dimiliki

generator semakin lama semakin menurun. Ketika laju penurunan frekuensi

menurun tajam, hal terburuk yang mungkin terjadi adalah pemadaman total.

Namun, apabila laju penurunan frekuensi tidak terlalu tajam, dapat segera

dilakukan pelepasan beban (Nugraheni, 2011).

2.2.3.2.2 Akibat Penurunan Frekuensi

Menurut Nugraheni (2011) pelepasan beban akibat penurunan frekuensi

(48)

a. Pelepasan beban manual

Pelepasan beban manual dilakukan apabila laju penurunan frekuensi sangat

rendah. Sehingga untuk memperbaiki frekuensi tidak membutuhkan waktu cepat

karena sistem dirasa aman untuk jangka waktu yang cukup lama. Pelepasan beban

secara manual ini akan membutuhkan beberapa operator yang cukup banyak, waktu

yang dibutuhkan cukup lama bila dibandingkan dengan pelepasan beban otomatis.

b. Pelepasan beban otomatis

Pelepasan beban otomatis dilakukan ketika laju penurunan frekuensi cukup

tinggi. Dengan adanya pelepasan beban otomatis maka sistem secara keseluruhan

dapat distabilkan dengan cepat tanpa harus menunggu operator bekerja. Pelepasan

beban otomatis biasanya didukung dengan beberapa komponen, seperti misalnya

penggunaan UFR (Under Frequency Relay).

Menurut Nugraheni (2011) pelepasan beban yang dilakukan akibat

penurunan frekuensi yang merupakan efek beban lebih penting dilakukan. Selain

untuk menghindari terjadinya pemadaman total, pelepasan beban dapat mencegah:

a. penuaan yang semakin cepat dari komponen mekanik generator

Penurunan frekuensi yang cukup parah menimbulkan getaran (vibrasi) yang

berlebihan pada sudu turbin. Hal ini mampu memperpendek usia pakai

peralatan.

b. Pertimbangan pemanasan

Berkurangnya frekuensi menyebabkan berkurangnya kecepatan putaran motor

pendingin generator, berakibat berkurangnya sirkulasi udara (ventilasi) yang

(49)

c. Terjadinya eksitasi lebih

Ketika terjadi penurunan frekuensi pada generator pada tegangan normal, arus

eksitasi generator semakin meningkat hal ini memicu terjadinya eksitasi lebih.

Eksitasi ini ditandai dengan fluks berlebih yang dapat menyebabkan

munculnya arus pusar. Arus pusar tersebut dapat menyebabkan pemanasan

pada inti generator.

2.2.3.2.3 Syarat Pelepasan Beban

Sebelum dilakukan suatu pelepasan beban yang bertujuan untuk pemulihan

frekuensi, pelepasan beban harus memenuhi beberapa kriteria antara lain:

a. Pelepasan beban dilakukan secara bertahap dengan tujuan apabila pada

pelepasan tahap pertama frekuensi belum juga pulih masih dapat dilakukan

pelepasan beban tahap berikutnya untuk memperbaiki frekuensi.

b. Jumlah beban yang dilepaskan hendaknya seminimal mungkin sesuai dengan

kebutuhan sistem tenaga listrik dalam memperbaiki frekuensi.

c. Beban yang dilepaskan adalah beban yang memiliki prioritas paling rendah

dibandingkan beban lain dalam suatu sistem tenaga listrik. Oleh sebab itu

seluruh beban terlebih dahulu diklasifikasikan menurut kriteria-kriteria

tertentu.

d. Pelepasan beban (load Shedding) harus dilakukan tepat guna. Oleh karenanya

harus ditentukan waktu tunda minimum relay untuk mendeteksi apakah

penurunan frekuensi generator akibat beban lebih atau pengaruh lain seperti

(50)

Keempat kriteria tersebut harus terpenuhi, dengan begitu pelepasan beban (load

shedding) aman untuk dilakukan (Nugraheni, 2011).

2.2.3.3 Penurunan Frekuensi Akibat Beban Lebih

Suatu generator akan berputar dengan frekuensi yang semakin menurun

apabila kopel penggerak mekanik generator besarnya kurang dari torsi beban.

Ketika terdapat generator pembangkit lain yang berada dalam suatu interkoneksi

lepas atau keluar dari sistem, secara otomatis beban yang ditanggung pembangkit

yang lepas akan menjadi tanggungan generator yang masih bekerja dalam sistem.

Dengan demikian torsi beban pada generator yang masih mampu bekerja akan

bertambah. Peningkatan torsi beban pada generator ini akan diimbangi dengan

peningkatan kopel mekanik penggerak generator dengan melakukan pengaturan

pada governor untuk mempertahankan frekuensi kerja sistem tetap konstan.

Namun, pada saat governor telah dibuka secara maksimal untuk mengalirkan

sumber energi penggerak turbin, kopel penggerak mekanik generator besarnya

masih kurang dari torsi beban, hal inilah yang menjadikan frekuensi generator

menjadi turun. Untuk mengatasi hal tersebut diperlukan suatu pengurangan torsi

beban dengan beberapa cara diantaranya adalah pelepasan beban (Nugraheni,

2011).

2.2.3.3.1 Laju Penurunan Frekuensi

Penurunan frekuensi suatu generator dapat disebabkan oleh lepasnya salah

(51)

gangguan hubung singkat. Terjadinya gangguan hubung singkat mengakibatkan

penurunan frekuensi dalam waktu singkat, setelah itu frekuensi dapat pulih dengan

sendirinya dengan bantuan pengaturan governor. Sedangkan penurunan frekuensi

akibat beban lebih yang sangat besar diperlukan suatu pelepasan beban untuk

memulihkan frekuensi (Nugraheni, 2011).

Besarnya laju penurunan frekuensi sangat berpengaruh terhadap beberapa

hal, antara lain (Nugraheni, 2011):

a. Jenis pelepasan beban yang dilakukan

Ketika tingkat laju penurunan frekuensi yang terjadi rendah maka pelepasan

beban dilakukan secara manual oleh operator. Namun, bila tingkat laju

penurunan frekuensi tinggi maka diperlukan pelepasan beban secara otomatis.

b. Waktu tunda relay

Laju penurunan frekuensi mempengaruhi pengaturan waktu tunda relay. Untuk

laju penurunan frekuensi yang tinggi tentu diatur agar waktu tunda yang

dimiliki relay sesingkat mungkin. Semakin lama waktu tunda relay, tentu

penurunan frekuensi yang terjadi semakin besar.

c. Jumlah beban yang dilepas

Penurunan frekuensi yang besar harus diimbangi dengan pelepasan beban yang

besar, hal ini bertujuan agar mempercepat pemulihan frekuensi. Sedangkan

ketika laju penurunan frekuensi rendah, dimungkinkan untuk melakukan

pelepasan beban dalam jumlah besar namun bertahap. Hal ini bertujuan untuk

(52)

Menurut Nugraheni (2011) Demikian berpengaruhnya besar laju penurunan

frekuensi terhadap pelepasan beban, maka perlu diketahui faktor-faktor yang

mempengaruhi besar laju penurunan frekuensi. Faktor-faktor tersebut antara lain

sebagai berikut:

a. Konstanta inersia

b. Daya mekanik generator

c. Daya elektrik yang dibutuhkan beban

Faktor-faktor tersebut dapat digunakan untuk memperkirakan laju

penurunan frekuensi. Dengan perkiraan tersebut, dapat juga detentukan besar

frekuensi akhir saat sebelum pemutus tenaga terbuka. Jumlah beban yang harus

dilepas untuk pemulihan frekuensi dapat ditentukan (Nugraheni, 2011).

Hubungan yang mendefinisikan perubahan frekuensi terhadap waktu, dalam

hal ini disebut dengan laju perubahan frekuensi berdasarkan perubahan besarnya

daya yang dihasilkan generator dan daya yang dibutuhkan beban dapat

digambarkan oleh persamaan swing suatu generator sederhana sebagai berikut:

��

�� = ��

(2.5)

Dengan: G = Rating MVA generator

H = Konstanta inersia generator (MJ/MVA)

δ = Sudut torsi generator

f0 = Frekuensi nominal generator (Hz)

PA = Daya percepatan (MW)

(53)

� = � + ��_{�� = ��}

�

= �= 2π

(2.6)

(2.7)

Dengan � = Kecepatan generator saat frekuensi nominal (rpm)

Dari persamaan (2.5) dan (2.7) dapat disimpulkan bahwa:

��

PE = Daya elektrik permintaan beban

Sesuai dengan persamaan (2.8) terbukti bahwa besarnya laju penurunan frekuensi

dipengaruhi oleh tiga faktor yang telah disebutkan sebelumnya.

2.2.3.3.2 Pengaruh Konstanta Inersia Terhadap Penurunan Frekuensi

Setiap benda memiliki kemampuan untuk mempertahankan diri dari

gangguan yang diberikan kepadanya. Untuk benda yang bergerak secara mendatar

(translasi), besarnya kemampuan untuk mempertahankan diri tersebut dipengaruhi

oleh massa. Sedangkan untuk benda berotasi kemampuan atau kecenderungan

untuk mempertahankan diri tidak hanya bergantung pada massa tetapi juga kepada

momen inersia. Suatu benda yang memiliki momen inersia semakin besar artinya

memiliki kemampuan yang semakin tinggi untuk mempertahankan diri. Generator

merupakan benda berotasi sehingga memiliki nilai momen inersia (Nugraheni,

(54)

I = ∫r2dm (2.9)

Dengan: I = Momen inersia

r = Jarak partikel ke sumbu putar

m = Massa benda

Suatu benda yang bergerak menghasilkan energi kenetik. Energi tersebut

bergantung pada massa dan kecepatan bergerak benda. Sebagai benda bergerak

berotasi, energi kinetik generator dapat dinyatakan sebagai berikut (Nugraheni,

2011):

Ekrot = I � (2.10)

Dengan: Ekrot = Energi kinetik rotasi

I = Momen inersia

ω = Kecepatan sudut putar

Sedangkan energi yang dihasilkan pada kecepatan sinkron per volt-ampere

dari rating generator disebut dengan konstanta inersia. Selanjutnya energi kinetik

generator dapat dinyatakan sebagai:

GH = I � (2.11)

Dengan: G = Rating MVA generator

H = Konstanta inersia

I = Momen inersia

ω = Kecepatan sudut putar

Ketika suatu generator menerima tambahan beban akibat adanya gangguan

pada sistem transmisi maupun generator lain yang lepas dari sistem, kestabilan dari

(55)

tidak langsung merupakan gangguan bagi generator. Tanggapan dari gangguan

tersebut adalah terjadinya penurunan frekuensi. Besarnya tanggapan ini bergantung

pada kemampuan generator untuk mempertahankan diri dri gangguan. Semakin

besar momen inersia suatu generator maka semakin besar pula nilai konstanta

inersia generator tersebut untuk frekuensi kerja dan rating MVA yang sama.

Tingginya nilai momen inersia suatu benda dapat memberikan ketahanan yang

lebih tinggi menanggapi terjadinya gangguan (Nugraheni, 2011).

Salah satu faktor yang mempengaruhi besar laju penurunan frekuensi suatu

generator adalah konstanta inersia. Semakin besar nilai konstanta inersia maka

kemampuan suatu generator dalam mempertahankan diri dalam menghadapi

gangguan dalam hal ini adalah respon frekuensi terhadap kelebihan beban semakin

tinggi (Nugraheni, 2011).

Sesuai dengan persamaan (2.8) ketika nilai konstanta inersia suatu generaor

semakin tinggi maka laju penurunan frekuensi semakin rendah. Nilai konstanta

inersia yang digunakan dalam persamaan tersebut mampu menggambarkan nilai

konstanta inersia sebuah generator maupun kumpulan beberapa generator. Nilai

konstanta inersia dari kumpulan beberapa generator merupakan nilai rata-rata dari

konstanta inersia keseluruhan generator, atau dapat dinyatakan sebagai berikut:

H = � �� + � �� +⋯+��

�� + �� +⋯+ ��

(2.12)

(56)

Gambar 2.2 Grafik penurunan frekuensi dengan parameter konstanta inersia dan persen overload

Gambar 2.3 menggambarkan pengaruh nilai konstanta inersia terhadap

besarnya perubahan frekuensi terhadap waktu. Untuk besar nilai kelebihan beban

yang sama laju penurunan frekuensi pada generator yang memiliki konstanta inersia

lebih besar akan menjadi lebih rendah daripada generator yang memiliki konstanta

inersia yang lebih rendah. Pada gambar terlihat bahwa pada prosentase kelebihan

beban 100%, generator yang memiliki konstanta inersia (H) 7 MJ/MVA mengalami

laju penurunan frekuensi sekitar 3,5 Hz/s, sedangkan untuk generator yang

memiliki konstanta inersia (H) 4 MJ/MVA laju penurunan frekuensi yang

(57)

2.2.3.3.3 Pengaruh Kelebihan Beban

Ketidakseimbangan antara daya yang dihasilkan oleh pembangkit dan

kebutuhan daya beban berakibat pada terjadinya penyimpangan frekuensi. Ketika

daya yang dihasilkan generator lebih besar dibandingkan kebutuhan daya beban

maka frekuensi generator semakin lama akan semakin meningkat. Sebaliknya, bila

daya yang dihasilkan oleh generator lebih kecil dibandingkan dengan kebutuhan

daya beban maka frekuensi semakin lama semakin menurun. Dari persamaan (2.2)

dapat disimpulkan bahwa (Nugraheni, 2011):

P ≈ �

Dimana P adalah daya dan � adalah torsi.

Dalam kasus kelebihan beban dikenal istilah daya percepatan (PA), daya

mekanik generator (PM) dan daya elektrik beban (PE). Hubungan ketiganya

digambarkan sebagai berikut:

PA = PM– PE (2.13)

Dengan mengingat hubungan antara daya dan torsi dari persamaan (2.2)

maka dapat disimpulkan bahwa:

TA = TM– TE (2.14)

TA merupakan torsi percepatan, TM merupakan torsi mekanik yang memiliki

oleh generator dan TE adalah torsi elektrik beban. Torsi merupakan gaya yang

dialami oleh benda berotasi, maka persamaan (2.14) dapat dinyatakan sebagai

berikut:

(58)

J2π = TM– TE (2.16)

Maka, ketika PM > PE, TM > TE nilai perubahan frekuensi terhadap waktu

akan bernilai positif dan kelebihan daya ada pada sisi pembangkit. Sebaliknya, jika

PM < PE, TM < TE nilai perubahan frekuensi terhadap waktu akan bernilai negatif

dan kelebihan daya berada pada sisi beban, hal inilah yang menyebabkan turunnya

frekuensi generator.

Besar kelebihan beban biasanya dinyatakan dalam prosentase (H. E. Lokay,

1968):

Dari gambar 2.3 dapat dilihat pengaruh besar prosentase kelebihan beban

suatu sistem terhadap besar laju penurunan frekuensi. Pada grafik tersebut laju

penurunan frekuensi generator dengan konstanta inersia 4 MJ/MVA misal

prosentase beban lebih mencapai 10% maka besar laju penurunan frekuensi sekitar

1 Hz/s. Namun, ketika prosentase beban lebih mencapai 100%, laju penurunan

frekuensi mencapai 6 Hz/s. Terlihat bahwa semakin kecil tingkat kelebihan beban

semakin kecil laju penurunan frekuensi (Nugraheni, 2011).

2.2.3.4 Prioritas Beban

Dalam suatu sistem tenaga listrik terdapat berbagai macam beban. Beban

tersebut dapat berupa motor-motor induksi yang dimanfaatkan di lingkungan

(59)

memiliki nilai prioritas kebutuhan nilai ekonomi bagi penggunanya (Nugraheni,

2011).

2.2.3.4.1 Jenis Beban yang Dilepaskan

Menurut Nugraheni (2011) Ketika terjadi penurunan frekuensi akibat beban

lebih, salah satu hal yang dapat dilakukan untuk mengatasinya adalah pelepasan

beban (load shedding). Pelepasan beban ini diharapkan untuk dapat memperbaiki

frekuensi secara cepat tanpa harus banyak merugikan pengguna secara ekonomi.

Oleh sebab itu, beban-beban yang disuplai oleh generator sebaiknya diurutkan

menurut parameter-paremeter sebagai berikut:

a. Sensitif terhadap kegiatan perekonomian.

b. Tingkat kesulitan pengasutan (starting).

c. Daya yang dibutuhkan.

Beberapa pertimbangan yang harus diperhatikan dalam memilih beban yang

akan dilepaskan salah satunya adalah apakah beban tersebut sensitif terhadap

kegiatan perekonomian. Jenis beban yang dilepaskan adalah beban yang memiliki

pengaruh paling rendah bagi perekonomian. Misalnya pada sistem tenaga listrik di

suatu perusahaan minyak bumi dan gas, beban yang tidak sensitif terhadap kegiatan

usaha adalah rumah tinggal atau penginapan. Sedangkan beban yang sangat sensitif

terhadap kegiatan usaha antara lain motor-motor untuk eksplorasi (Nugraheni,

2011).

Parameter lain yang harus dipertimbangkan dalam memilih beban yang