PENEMPATAN FACTS DEVICE UNTUK MENINGKATKAN KESTABILAN TEGANGAN
DAN MENURUNKAN LOSESS JARINGAN DENGAN LINE INDICATOR
Chico Hermanu B A
1, Sasongko Pramono Hadi
2, Sarjiya
31
Mahasiswa Pascasarjana, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik
2,3
Pengajar, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada
Jalan Grafika 2 Yogyakarta 55281
email: chicohermanu@gmail.com, sasongko@te.ugm.ac.id, sarjiya@gadjahmada.edu
ABSTRAK
Pertumbuhan beban yang sangat cepat mengakibatkan sistem beroperasi mendekati ambang batas kestabilan. flexible alternating current transmission system (FACTS) adalah peralatan power elektronik yang dapat meningkatakan stabilitas sistem, menaikan profil tegangan dan menurunkan losses saluran transmisi. Tujuan dari penelitian ini menentukan lokasi optimal FACTS untuk meningkatkan kestabilan statis tegangan dan menurunkan losses saluran transmisi.
Metode untuk penempatan lokasi optimal FACTS dengan mengunakan analisis kurva P-V, voltage collapse proximity index (VCPI), dan fast voltage stability index (FVSI). Kurva P-V, indeks VCPI dan indeks FVSI digunakan untuk menentukan bus yang medekati titik kestabilan tegangan kritis. Bus yang paling mendekati batas kestabilan tegangan kristis akan dipasang FACTS. Pada penelitian ini mengunakan jenis FACTS, unified power flow controller (UPFC). Power system analysis toolbox (PSAT) adalah software yang digunakan untuk melakukan running continuation power flow (CPF) dan sistem yang diuji sistem IEEE 14 bus.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa penempatan optimal UPFC mampu meningkatkan kestabilan tegangan, menaikan profil tegangan bus, dan menurunkan losses sistem tenaga listrik, dimana losses daya aktif berkurang sebesar 0,113223 p.u (38.44%), sedangkan losses daya reaktif berkurang sebesar 0,490889 p.u (53.60%).
Kata kunci : FACTS, kestabilan tegangan, total losses, UPFC, PSAT
PENDAHULUAN
Pada saat ini kebutuhan energi listrik meningkat dengan cepat, akan tetapi pembangunan pembangkit baru dan penambahan saluran transmisi dibatasi dengan ketersediaan sumber daya, masalah lingkungan dan membutuhkan biaya yang tidak sedikit. Seiring meningkatnya kualitas perkembangan komponen-komponen elektronika daya dan perkembangan material, maka kemampuan peralatan sistem tenaga listirk semakin meningkat. Kemajuan kontrol pada sistem tenaga listrik memungkinkan peningkatan kapabilitas saluran transmisi dan kestabilan sistem tenaga listrik. Maka dari itu dibutuhkan komponen sistem tenaga listrik
yang mampu mengontrol sekaligus
mengkompensasi rugi-rugi daya pada sistem tenaga listrik terutama pada saluran transmisi. Salah satu cara untuk menurukan loses pada saluran trasmisi, meningkatkan kapasitansi saluran transmisi dan meningkatkan kestabilan sistem dengan memasang FACTS device di saluran transmisi (Zuwei Yu, D. lusan, 2004). Dengan demikian, FACTS akan menghemat banyak biaya untuk penambahan penyediaan daya listrik karena menghindari pembangunan jaringan transmisi baru.
FACTS memiliki beberapa kemampuan antara lain meningkatkan fleksibilitas operasi, kestabilan sistem, dan pemanfaatan jaringan eksisting yang
sudah ada (Narain G. H., Laszlo G., 2000). Terdapat beberapa jenis FACTS devices antara lain: Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC), Static Var Compensator (SVC), Unified Power Flow Controller (UPFC), Static Compensator (STATCOM). Diantara jenis FACTS device yang memiliki load ability transfer paling tinggi dan memiliki injeksi Mvar paling besar adalah UPFC (Ahmad R. J., Mahmood J., 2011). Hal ini yang melandasi dipilihnya UPFC sebagai kompensator tunggal pada penelitian ini. Beberapa penerapan aplikasi UPFC di sistem tenaga listrik untuk meningkatkan stabilitas sistem, meningkatkan power quality dan meningkatkan aliran daya (Arup R.B., Champa N., 2011), (H C Leung, Dylan Dah-Chuan, 2011).
Berbagai metode indikator diusulkan untuk mempelajari stabilitas tegangan. Seperti analisis eigenvalue dari matriks jacobian, kurva P-V, VCPI (Voltage Collapse Proximity Index) dan FVSI (Fast Voltage Stability Index) digunakan untuk menentukan stabilitas tegangan (Anju G., P.R.Sharma, 2012). Tidak banyak penelitian yang mengunakan indeks VCPI dan indeks FVSI sebagai indikator saluran untuk menentukan tingkat kestabilan steady state sistem tenaga listrik. Penelitian ini menitikberatkan pada perbaikan profil tegangan saluran dan mengurangi losses pada saluran yang memiliki titik kestabilan tegangan paling rendah.
Pada penelitian ini setelah dilakukan analisis dari kurva P-V, indeks VCPI, dan indeks FVSI didapatkan batas steady state serta karakteristik dari sebuah sistem, sehingga dapat mengetahui bus yang paling sensitif terhadap penambahan beban. Dari bus tersebut dipasangkan UPFC yang nantinya akan dapat memperbaiki profil tegangan dan menurukan losses.
METODEPENELITIAN
Penelitian ini mengunakan metode analisis dan simulasi yang menitik beratkan pada perbaikan kestabilan tegangan, menaikan profil tegangan, dan menurunkan losses sistem tenaga listrik. Kestabilan tegangan tiap bus diamati dengan menggunakan bantuan kurva P-V yang dapat menunjukkan nilai kondisi tegangan disetiap kondisi operasi melalui simulasi CPF. Selain mengunakan kurva P-V, indeks VCPI dan indeks FVSI juga digunakan untuk memilih bus atau saluran terkritis sebagai lokasi penempatan UPFC. Kemudian dilakukan analisis dan pengamatan terhadap perubahan kestabilan tegangan, profil tegangan, dan losses sebelum dan sesudah dipasang UPFC.
A. Kestabilan Tegangan (Prabha Kundur, 1994) Kestabilan sistem tenaga listrik didefinisikan sebagai kemampuan dari sistem untuk menjaga kondisi operasi yang seimbang dan kemampuan sistem tersebut untuk kembali ke kondisi operasi normal ketika terjadi gangguan. stabilan tegangan adalah kemampuan dari sistem tenaga untuk menjaga tegangan steady disemua bus dalam sistem setelah mengalami gangguan. Kestabilan ini tergantung pada kemampuan untuk menjaga atau mengembalikan keseimbangan antara kebutuhan beban dan suplai daya dari sistem tenaga. Ketidak stabilan yang terjadi bisa dalam bentuk penurunan atau meningkatnya tegangan pada beberapa bus. Akibat yang mungkin terjadi karena ketidakstabilan tegangan adalah kehilangan beban pada suatu area atau lepasnya jaringan transmisi karena bekerjanya relay proteksi. Faktor utama yang mengkontribusi ketidak stabilan tegangan adalah ketika gangguan yang terjadi menyebakan kebutuhan daya reaktif meningkat diluar dari kapasitas sumber daya reaktif yang tersedia.
B. Kurva P - V
Analisis stabilitas tegangan dengan menggunakan kurva P-V atau nose curve ini adalah untuk melihat pada kondisi beban total berapa (MW) tegangan sistem mengalami collapse. Artinya kemampuan sistem dalam menyalurkan daya aktif telah melebihi kemampuan sistem itu
sendiri. Bentuk kurva P-V merupakan representasi dari bus beban, sedangkan pada bus swing dan bus generator tidak berlaku karena pada bus tersebut terdapat generator sehingga nilai tegangannya tetap untuk perubahan beban tertentu.
Kurva P-V atau nose curve merepresentasikan variasi tegangan yang berkaitan dengan variasi beban daya aktif. Kurva P-V ini diperoleh dari serangkaian solusi aliran daya untuk tingkat beban berbeda yang terdistribusi secara merata dengan menjaga faktor daya tetap. Daya aktif yang dibangkitkan sebanding dengan rating generator atau berdasarkan faktor permintaan beban dari konsumen. Komponen P dan Q dari setiap beban tergantung dari tegangan bus sesuai dengan model yang dipilih. Penentuan titik kritis untuk peningkatan beban yang diberikan sangat penting karena dapat menyebabkan runtuhnya tegangan sistem. Units
C. Index VCPI (Voltage Collapse Proximity Index) Index VCPI merupakan index yang menyatakan perbandingan pembebanan daya yang diterima dengan daya maksimum yang dikirimkan sistem (Anju G., P.R.Sharma, 2012).
Gambar 1. Sistem Tenaga Listrik
Nilai VCPI didapatkan persamaan:
D. Index FVSI (Fast Voltage Stability Index) Index FVSI di dapatkan dari proses aliran daya reaktif. Index FVSI mengambarkan bus yang berkerja mendekati titik kestabilan kritis ketika di bebani mendekati pembebanan maksimum (Anju G., P.R.Sharma, 2012).
E. Konfigurasi UPFC
Unified Power Flow Controller (UPFC) adalah salah satu peralatan flexible alternating current transmission system (FACTS) yang sering digunakan. UPFC dapat mengendalikan aliran daya aktif dan reaktif fleksibel pada saluran transmisi dengan mengendalikan parameter saluran transmisi seperti tegangan, impedansi, dan sudut fase. Kemampuan utama UPFC adalah mengendalikan aliran daya aktif dan reaktif serta memperbaiki tegangan saluran transmisi. Disamping itu UPFC juga mampu meredam osilasi serta meningkatkan kestabilan sistem setelah terjadi gangguan.
Gambar 2. Skema Dasar UPFC.
UPFC merupakan peralatan serbaguna, dikarenakan dapat mengontrol tegangan suatu bus dan aliran daya untuk operasi sistem yang optimal. Sifat serbaguna ini dikarenakan terdapat dua switching converter yang terdapat pada UPFC. Dua converter tersebut dihubungkan menggunakan DC link. Series inverter dihubungkan dengan saluran transmisi melalui trafo yang dihubung seri, sementara shunt inverter dikopel dengan bus yang ingin dikontrol melalui shunt transformer. Shunt inverter dapat menghasilkan maupun menyerap daya reaktif dan dapat menyediakan daya aktif ke series transformer. Sedangkan fungsi dari series inverter berkaitan dengan pengaturan tegangan. Skema dasar blok UPFC dapat dilihat pada Gambar 2.
F. Pemodelan UPFC
Gambar 3. Model UPFC pada saluran
Gambar 4. Diagram fasor UPFC pada saluran.
Model UPFC yang terpasang disaluran ditunjukkan pada gambar 3, berdasarkan gambar 4 merupakan pedekatan diagram phasor dari pemasangan UPFC di salauran transmisi. Ada beberapa parameter yang dapat diatur untuk menjaga level tegangan dan aliran daya system, dengan persamaan sebagai berikut: (H C Leung, Dylan Dah-Chuan, 2011)
Kemudian untuk pendekatan secara matematis dari load flow yang mengalir dari bus i ke bus j:
Berdasarkan prinsip kerja injeksi daya reaktif peralatan UPFC pada bus i dan bus j:
(8)
(
cos+
sin)
(16) (17) (18) (19)DATADANPEMBAHASAN
Sistem yang digunakan adalah rangkaian standar IEEE 14 bus seperti pada Gambar 6. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software Power System Analysis Toolbox (PSAT) versi 2.1.8 pada matlab R2012b yang dikembangkan oleh Federico Milano (Federico Milano, 2005).
Gambar 6. Sistem IEEE 14 bus.
Kemudian dilakukan running CPF untuk mendapatkan kurva P-V, dilakukan analisis index kestabilan pada simulasi sebelum penempatan UPFC.
G. Base case Kurva PV
Untuk mendapatkan kurva P-V dari sistem IEEE14 bus dengan cara melakukan run CPF. Pada
Gambar 7 didapatkan tiga bus yang memiliki loading parameter ( terendah. Bus 4 memiliki loading parameter , bus 05 memiliki loading parameter , dan bus 14 memiliki loading parameter . Jadi bus 14 merupakan bus terkritis teganganya dibandingkan bus yang lain.
Gambar 7. Kurva P-V tanpa UPFC.
Gambar 8. Profil tegangan bus tanpa UPFC. Dari gambar 8 terlihat bahwa profil tegangan bus 14 = 0.681 p.u. adalah paling rendah dibandingkan dengan bus lain.
H. Indeks VCPI dan Indeks FVSI
Indeks VCPI dan FVSI di dapatkan dengan asumsi besarnya daya reaktif dan daya aktif dari setiap saluran dianggap konstan. Nilai indeks VCPI dan indek FVSI menyatakan perbandingan bus yang paling kritis terhadap kestabilan tegangan.
TABEL 1. STABILITYINDICESWITHOUTUPFC (ANJU G., P.R.SHARMA, 2012). 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1
Loading Parameter (p.u.)
V o lt a g e m a g n it u d e ( p .u .) VBus 04 VBus 05 V Bus 14
Load p.u
Line VCPI (voltage
collapse proximity index) FVSI (Fast voltage stability index) Q14=0.9 13-14 9-14 0.869 0.746 0.956 0.749 Q10 =0.948 11-10 9-10 0.363 0.241 0.389 0.258 Q12 =0.855 6-12 13-12 0.598 0.379 0.410 0.431
Dari tabel 1 terlihat bahwa bus yang mendekati nilai kritis adalah di saluran bus 13-14 kemudian dikuti oleh bus 9-14 dibandingakan bus yang lain. I. Penempatan UPFC bus 9-14
Berdasarkan analisis dari kurva P-V bus yang paling kritis adalah bus 14. Sedangkan dari indeks kestabilan tegangan, penempatan UPFC yang optimal ditempatkan di saluran bus 13-14 atau bus 9-14. Tetapi karena profil tegangan di bus 9 sangat rendah maka penempatan UPFC di bus 9-14.
Pada gambar 9 hasil simulasi UPFC yang ditempatkan di bus 9-14, terlihat bahwa besarnya loading parameter bus 14 meningkat setelah dipasang UPFC, hal ini membuat kestabilan tegangan di bus 14 juga meningkat.
Gambar 9. Kurva P-V dengan UPFC bus 9-14.
Untuk profil tegangan pada bus 14 terlihat pada gambar 10 terjadi peningkatan semula dari 0.681 p.u. sebelum dipasang UPFC naik menjadi 1.005 p.u. atau naik sebesar 47.58% setelah di pasang UPFC. Kemudian di bus 9 juga mengalami kenaikan dari 0.721 p.u. menjadi 1.000 p.u. atau naik sebesar 38.69%.
Gambar 10. Profil tegangan dengan UPFC bus 9-14. J. Generation dan Losses
Pemasangan UPFC juga mempunyai efek terhadap besar pembangkitan dan losses yang terjadi pada jaringan seperti yang ditunjukan pada Tabel 2.
TABEL 2. Perbandingan Besar Pembangkitan dan Losses
Total Beban (p.u) Tanpa UPFC UPFC bus 9-14
Daya Aktif 3,626 3,8073
Daya reaktif 1,1396 1,5645
Total Pembangkitan (p.u)
Daya Aktif 3,920523 3,626
Daya Reaktif 2,055359 1,1396
Losses (p.u)
Daya Aktif 0,294523 0,1813
Daya Reaktif 0,915759 0,42487
Injeksi daya reaktif yang dikirimkan dari UPFC ke sistem mampu mengurangi losses, pada tabel 2 dengan total beban yang dianggap konstan, pemasangan UPFC yang ditempatkan pada bus 9– 14 ini mampu menurunkan losses sistem, dimana losses daya aktif berkurang sebesar 0,113044 p.u (38%), sedangkan losses daya reaktif berkurang sebesar 0,376546 p.u (41%) .
KESIMPULAN
Penempatan UPFC pada sistem IEEE 14 bus dapat meningkatkan kestabilan tegangan yang diindikasikan oleh nilai loading parameter pada kurva P-V yang semakin baik. Penempatan UPFC juga mampu menaikan profil tegangan sistem dan menurunkan losses sistem, dimana losses daya aktif berkurang sebesar 0,113223 p.u (38.44%), sedangkan losses daya reaktif berkurang sebesar 0,490889 p.u (53.60%) untuk case penempatan UPFC di bus 9-14. Hal ini tentunya akan menaikan transfer daya dari pembangkit ke beban,
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
Loading Parameter (p.u.)
V o lt a g e M a g n it u d e ( p .u .) V Bus 04 V Bus 05 V Bus 09 V Bus 14
menurukan nilai cost operasi sistem tenaga listrik, dan menunda pembagunan saluran transmisi baru. UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih kepada semua pihak yang sudah meluangkan waktu untuk memberi doa, bimbingan, dan dukungan selama pelaksanaan penelitian.
DAFTARPUSTAKA
Ahmad Rezaee Jordehi, Mahmood Joorabian, 2011. “ Optimal Placement of Multi-Type FACTS Devices in Power Systems Using Evolution Strategies”, IEEE, International Power Engineering and Optimization Conference (PEOCO).
Anju Gupta, P.R.Sharma, 2012. “Optimal Placement of FACTS Devices for Voltage Stability Using Line Indicators”, IEEE. Arup Ratan Bhowmik, Champa Nandi,
2011.“Implementation of Unified Power Flow Controller (UPFC) for Power Quality Improvement in IEEE 14-Bus System”, Int. J. Comp. Tech. Appl., Vol 2 (6), Nov-Dec. Federico Milano, 2005. "Power System Analysis
Toolbox," Version 2.18, Software and Documentation, July 14.
H C Leung and Dylan Dah-Chuan, 2011. “Particle Swarm Optimization for OPF with Consideration of FACTS devices”, IECON 2011 - 37th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, pp.2406 - 2410,
Ismail Musirin, Titik Khawa Abdul Rahman,Member, 2002. “On line Voltage Stability Based Contingrncy Ranking Using Fast Voltage Stability Index(FVSI)”, IEEE. M. Ahmadi, M. Alinezhad, H. Lesani, N. Talebi,
2008. “Comparison of SVC, STATCOM, TCSC, and UPFC Controllers for Static Voltage Stability Evaluated by Continuation Power Flow Method”, IEEE Electrical Power & Energy Conference.
Narain G. Hingorani and Laszlo Gyugyi, 2000. “Understanding FACTS: Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems”, NewYork: IEEE Press.
Prabha Kundur, 1994, “Power System Stability and Control”, McGraw Hill,Inc
Restu Prima A., Sasongko P. Hadi, Lesnanto M. P., 2013. “ Pengaruh Penempatan Unified Power Flow Controller (UPFC) Terhadap Kestabilan Tegangan Sistem Tenaga Listrik”. LaporanAkhir, tidakdipublikasikan.
Sasongko P. Hadi, 2011. "Dynamic Modelling and Damping Function of GUPFC in Multi-Machine Power System," The Journal for Technology and Science IPTEK, vol. 22, no. 4, pp. 205-213.
Zuwei Yu and D. lusan, 2004. “Optimal Placement of FACTS Device in Deregulated Systems Considering Losses”, ELSEVIER Electrical Power and Energy System vol. 26, pp. 818-819.
