Arif Nur Afandi adalah Dosen Jurusan Teknik Elektro Universitas Negeri Malang
PERFORMASI PEMBANGKIT 150 kV DALAM BLACKOUT SCENARIOS
Arif Nur Afandi
Abstrak: Stabilitas sistem tenaga ini pada kondisi blackout memerlukan tindakan segera
untuk recovery. Pada kondisi tersebut, kajian ini disimulasikan pada sistem 150 kV di Kota Malang. Hasil analisa menunjukan terjadinya perubahan respon tegangan pembangkit Wlingi dari 0,944 pu menjadi 0,946 pu dan overshoot yang terjadi selama osilasi sebesar 0,962 pu pada 0,53 detik setelah gangguan terjadi. Sedangkan pada pembangkit Sutami mengalami overshoot untuk tegangan sebesar 0,968 pu pada 0,5 detik setelah gangguan terjadi dan tegangan berubah dari 0,948 pu menjadi 0,952 pu pada saat setabil kembali.
Kata-kata kunci: stabilitas, generator, drop, overshoot
Sering munculnya persoalan dinamika stabilitas pada sistem tenaga listrik terkait dengan kemampuan merespon adanya gangguan yang terjadi, karena masalah dinamika dan stabilitas sistem tersebut sangat berkaitan erat dengan unjuk kerja sistem yang mencerminkan kondisi setiap saat, baik kondisi normal maupun kondisi saat terjadi gangguan, serta kondisi pemulihannya. Selanjutnya stabilitas sis-tem tenaga listrik didefinisikan sebagai suatu keadaan sistem untuk kembali lagi ke keadaan normal atau stabil setelah me-ngalami gangguan (Nagrath, 1989). Gangguan pada sistem dapat menimbul-kan osilasi tegangan, frekuensi dan daya. Oleh karena itu, perlu pengaturan agar osilasi yang terjadi segera kembali ke kondisi normal. Untuk analisa stabilitas sistem yang berkaitan dengan osilasi ada tiga kondisi yang harus dipertimbangkan, yaitu stabilitas steady state, stabilitas
transient dan stabilitas dynamic (Nagrath,
1989).
Selanjutnya dalam stabilitas sistem tenaga listrik permasalahan dapat dinya-takan dengan menggunakan model per-samaan diferensial, sehingga hal itu sangat berkaitan dengan terjadinya osi-lasi frekuensi rendah dan dapat distabil-kan kembali dengan menambahdistabil-kan sinyal kendali tambahan melalui Power System
Stabilizer (Padiyar, 1996). Penambahan
sinyal kendali melalui blok Power System
Stabilizer tersebut dapat dilakukan
de-ngan masukan umpan balik berupa peru-bahan kecepatan, peruperu-bahan frekuensi atau perubahan akselerasi daya (Yu, 1983), (Kundur, P. 1999).
Berbagai penelitian tentang stabilitas sistem tenaga listrik telah banyak dilaku-kan untuk mengevaluasi dan memperbaiki respon terhadap gangguan yang terjadi. Berkaitan dengan hal tersebut, maka tuju-an dilakuktuju-annya penelitituju-an tenttuju-ang sta-bilitas sistem tenaga listrik ini adalah untuk mengetahui respon generator pem-bangkit bila terjadi gangguan yang dapat menyebabkan sistem tenaga listrik di Kota Malang keluar dari interkoneksi sis-tem tenaga listrik se-Jawa Bali. Sehingga respon pembangkit yang ada dapat diketa-hui unjuk kerjanya saat terjadi gangguan. Model Sistem Tenaga Listrik
Menurut Nagrath (1989) dinamik pada sistem tenaga listrik dikarakteristikan oleh prilaku pengiriman daya yang secara ke-seluruhan memiliki batas maksimum sam-pai tercasam-pai kondisi lepas sinkron, selain itu juga dicerminkan oleh osilasi kompo-nen mekanis dan elektris yang diwakili oleh sudut daya . Selanjutnya untuk me-mahami prilaku dinamik pada sistem tenaga listrik dan untuk merencanakan kontrol pada perbaikan unjuk kerja
sis-tem, Yu (1983) menyatakan sangat perlu dimengerti komponen dasar sistem tenaga listrik, khususnya yang memiliki penga-ruh signifikan dengan prilaku dinamik sistem tenaga. Komponen dasar tersebut sebagaimana pada Gambar 1, meliputi: turbin dan governor, generator, eksitasi beserta regulator tegangan, tranformator dan jaringan transmisi.
Gambar 1. Komponen Sistem Tenaga Listrik Pada Gambar 1 ditunjukan bahwa tur-bin dan governor mendapat umpan balik dengan , sedangkan eksitasi dan regu-lator mendapat umpan balik berupa Vt. Selanjutnya generator dihubungkan ke sistem tenaga listrik melalui transformator dan saluran transmisi.
Konversi energi mekanik terjadi pada turbin uap melalui proses termodinamik, dimana uap diekspansikan melalui turbin tekanan rendah, menengah dan tinggi se-cara normal semuanya pada satu poros. Energi uap tekanan tinggi dan tempera-ture tinggi dari boiler dikonversikan menjadi energi mekanik melalui sirip tur-bin dan dialihkan ke poros yang terhu-bung dengan generator.
Sedangkan governor untuk memperta-hankan kecepatan konstan, yaitu kecepat-an sinkron turbin-generator set. Bila kece-patan turun, guna menaikkkan keluaran daya listrik maka akan mengirim sinyal ke governor untuk menaikkan masukan daya mekanik ke turbin dan bila kecepat-an naik maka daya masukkecepat-an mekkecepat-anik dikurangi guna mempertahankan kecepat-an konstkecepat-an. Pada pembkecepat-angkit ykecepat-ang besar governor memberikan fungsi kendali daya dan frekuensi, dari area yang berada di dalam interkoneksi besar.
Model Generator
Padyar (1996) menyatakan bahwa un-tuk memahami dinamika sistem tenaga listrik, maka model sederhana generator sinkron kurang teliti untuk digunakan ka-rena harus mempertimbangkan parameter-paramter yang turut berubah setiap saat. Oleh karena itu pada kajian dinamika sis-tem tenaga listrik perlu mempertimbang-kan kumparan medan dan kumparan peredam. Selanjutnya menurut Yu (1983) jenis masalah pada dinamika sistem tenaga listrik mencakup tinggi/rendahnya osilasi frekuensi, besar/kecilnya gangguan dan besar/kecilnya sistem.
Untuk analisa generator sinkron pada dinamika sistem digunakan dua sumbu, yaitu daxis dan qaxis.Sumbu d merupakan sumbu yang mewakili pengaruh kumpar-an medkumpar-an dkumpar-an sumbu q merupakkumpar-an sumbu yang memiliki pengaruh kumparan re-daman. Dengan demikian generator sin-kron dimodelkan seperti pada Gambar 2, dengan persamaan-persamaan pemodelan sebagai beriku:
Iq
xq
xq
E
E
d d q'
'
(
'
)
'
0 (1) Id xq xq E E Eq FD q d ' ' ( ') ' 0 (2)Gambar 2. Model Generator Model Sistem Eksitasi
Padyar (1996) menyatakan tujuan uta-ma sistem eksitasi adalah untuk mengon-trol arus penguatan medan mesin sinkron. Pada generator, arus penguatan medan di-kendalikan untuk mengatur tegangan keluaran generator. Umumnya sistem eksitasi disusun oleh beberapa komponen, yaitu: penyearah, regulator tegangan, komparator/penguat dan exciter. Sistem
eksitasi suatu generator berdasarkan mo-del IEEE type 1 ditunjukan seperti pada Gambar 3. f VRe s K A A 1 KE Es 1 s s K F F 1 s R 1 1 F V FD E A V T V VR
Gambar 3. Model Eksitasi
Dengan R= konstanta waktu input re-gulator, K = penguatan rangkaian pen-F
stabil regulator, F = konstanta waktu rangkaian penstabil regulator, K = pe-A
nguatan regulator, Efd= Tegangan medan, A= konstanta waktu regulator, maka memiliki model state space untuk linierisasi sebagai berikut:
R R T R R V V V 1 1 (3) F F fd F F F
E
V
K
V
1
(4) A A F REF A A AV
V
V
K
V
1
(5) fd E E A E fd E K V E 1 (6)Model Sistem Pembangkit
Pengoperasian pembangkit dapat dipa-hami sebagai interaksi antara sistem
prime mover, sistem eksitasi dan
gene-rator. Prime mover menghasilkan daya mekanik pada poros dan generator meng-hasil daya listrik. Menurut Gross (1986), turbin menghasilkan torsi mekanis yang searah dengan perputaran sudu turbin/ poros dan torsi mekanis ini akan dilawan oleh torsi elektris. Dalam analisa dina-mika yang berkaitan dengan osilasi fre-kuensi rendah, maka sistem pembangkit menurut Yu (1983) dapat dimodelkan
se-perti pada Gambar 4. Model tersebut memiliki steate space sebagai berikut:
FD ΔE q Δe' Δδ Δω A T 1 A T 6 .K A K A T 5 .K A K 0 do T' 1 3 .K do T' 1 do T' 4 K 0 0 0 0 b ω 0 M 2 K M 1 K 0 FD ΔE q Δe' Δδ Δω (7)
Gambar 4. Model Sistem Pembangkit
METODE
Penelitian ini dilakukan untuk me-ngetahui respon tiap pembangkit bila ter-jadi gangguan yang menyebabkan kota Malang mengalami blackout atau pema-daman listrik total, sehingga diketahui kondisi osilasi atau stabil setiap pem-bangkit saat interkoneksi ke sistem Jawa Bali terlepas. Analisis dilakukan dengan memberi branch tripping pada sisi selatan di Kebon Agung, yaitu pada interkoneksi ke Tulung Agung dan Blitar. Sedangkan pada sisi utara dibemberikan branch
tripping di Lawang yang merupakan
in-terkoneksi ke Pasuruan. Secara umum tahapan analisa seperti pada Gambar 5, yaitu tersaji dalam urutan flowchart.
Gambar 5. Alur Penelitian
Untuk mendukung analisa stabilitas, maka data-data digunakan adalah data aliran daya untuk menentukan tegangan-tegangan setiap terminal dan besarnya daya yang dibangkitkan, data parameter-parameter generator sinkron untuk me-nentukan dinamika tanggapan, antara lain meliputi konstanta inersia H, konstanta sinkron/transien dan konstanta-konstanta waktu generator dan parameter-parameter sistem eksitasi.
HASIL
Sistem Tenaga Listrik yang Diteliti Sistem tenaga listrik yang ditinjau adalah sistem tenaga listrik di Malang yang merupakan interkoneksi ke Region 4 melalui Pasuruan, sistem tenaga listrik tersebut juga berinterkoneksi dengan Tulung Agung melalui Blitar. Selain itu, sistem tenaga listrik di Region 4
men-cakup interkoneksi antara Jawa Timur ke Madura dan Jawa Timur ke Bali, kedua interkoneksi itu melalui saluran kabel bawah laut 150 kV. Sistem tenaga listrik di Region 4 memiliki pembangkit yang tersambung ke sistem 500 kV pada sistem tenaga listrik di pulau Jawa, yaitu pembangkit di Paiton, Grati dan Gresik. Pada studi ini, beban puncak di Region 4 digunakan sekitar 3.178,01 MW dan 1.163,441 Mvar, dengan rincian beban di Madura 109,11 MW dan 42,9 Mvar, beban di Bali 336,3 MW dan 118,8 Mvar, serta beban di Jawa Timur 2.732,6 MW dan 1.001,741 Mvar.
Sedangkan sistem tenaga listrik di kota Malang ditinjau pada sisi 150 kV, karena pada sistem tenaga listrik di Malang tidak memiliki sistem 500 kV, serta untuk sis-tem 70 kV dan tegangan rendah diinte-grasikan ke sistem 150 kV dengan mem-pertimbangkan semua interkoneksi dan kompensasi di setiap sistem dan beban yang ada. Sehingga seluruh beban di Malang dikaji pada sisi 150 kV di Lawang sebesar 16,800 MW dan 7,000 Mvar, Kebon Agung sebesar 115,000 MW dan 60,000 Mvar, Pakis 30,500 MW dan 16,900 Mvar, Sengkaling 58,700 MW dan 34,200 Mvar dan Wlingi Wlingi 58,900 MW dan 38,500 Mvar.
Tabel 1. Kondisi Beban Puncak
No Bus Beban Puncak
MW Mvar 1 Kebon Agung 115,000 60,000 2 Lawang 16,800 7,000 3 Pakis 30,500 16,900 4 Sengkaling 58,700 34,200 5 Sutami 0,000 0,000 6 Wlingi 58,900 38,500
Data impedansi saluran transmisi pada sistem tenaga listrik di Malang untuk setiap antar daerah di kota Malang ditunjukan pada Tabel 2.
Tabel 2. Saluran Transmisi 150 kV
No Dari Ke Panjang
(m) Sir
1 INFINITE BUS LWANG 34.680 1 2 KBAGN PAKIS 12.900 2 3 KBAGN STAMI 27.950 2 4 LWANG KBAGN 25.805 2 5 SKLING KBAGN 15.100 2 6 STAMI-G STAMI 25 1 7 WLINGI STAMI 21.600 1 8 WLINGI-G WLINGI 25 1
Performasi Transaksi Sistem
Aliran daya dianalisa menggunakan metode Newton Raphson (Stevenson, 1998); (Sadaat, H. 1999), perhitungan ini dilakukan untuk mengetahui besarnya aliran daya setiap saluran dan tegangan setiap bus pada sistem tenaga listrik di Malang. Hasil perhitungan aliran daya menggunakan metode Newton Raphson ditunjukan pada Tabel 3, Table 4 dan Tabel 5.
Tabel 3. Aliran Daya Sistem
No
Lokasi Kiriman Daya Dari
1 2 1 2 Dari Ke (MW) (Mvar) 1 INFINITE LWANG 95,566 53,791 2 KBAGN PAKIS 30,537 16,015 3 KBAGN STAMI -80,133 -35,432 4 LWANG KBAGN 125,089 74,580 5 SKLING KBAGN -58,700 -34,200 6 STAMI-G STAMI 105,000 45,600 7 WLINGI STAMI -23,908 -11,908 8 WLINGI-G WLINGI 35,000 26,600
Tabel 4. Rugi Daya
No
Lokasi Rugi Daya
1 2 (KW) (Kvar) Dari Ke 1 INFINITE LWANG 1252,4 1291,4 2 KBAGN PAKIS 36,7 -885,0 3 KBAGN STAMI 337,8 -519,1 4 LWANG KBAGN 852,4 320,9 5 SKLING KBAGN 132,9 -523,5 6 STAMI-G STAMI 55,8 52,2 7 WLINGI STAMI 64,7 -1273,0 8 WLINGI-G WLINGI 8,3 7,8
Tabel 5. Drop Tegangan
No Lokasi kV Drop (%) 1 2 Dari Ke 1 INFINITE LWANG 1,71 2 KBAGN PAKIS 0,13 3 KBAGN STAMI 0,53 4 LWANG KBAGN 0,87 5 SKLING KBAGN 0,26 6 STAMI-G STAMI 0,06 7 WLINGI STAMI 0,30 8 WLINGI-G WLINGI 0,02
Aliran daya pada sistem tenaga di Malang memiliki drop tegangan terbesar pada bus Lawang, yaitu sekitar 1,71 %. Sedangkan losses terbesar terjadi pada saluran antara Infinite Bus dengan Lawang, yaitu sekitar 1.252,4 KW.
Performasi Stabilitas Pembangkit Jika terjadi gangguan maka pem-bangkit akan merasakan gangguan ter-sebut, respon pembangkit Sutami yang berupa daya elektrik dan tegangan saat terjadi gangguan yang mengakibatkan Malang keluar dari seluruh interkoneksi ditunjukkan pada Gambar 7 sampai dengan Gambar10.
Gambar 7. Performasi Daya Pembangkit Sutami
Gambar 8. Performasi Tegangan Pembangkit Sutami
Gambar 9. Performasi Daya Pembangkit Wlingi
Gambar 10. Performasi Tegangan Pembangkit Wlingi
PEMBAHASAN
Pada Gambar 7 dan Gambar 8, ditun-jukan respon generator pembangkit Suta-mi apaila terjadi gangguan, respon terse-but menunjukan bahwa terjadi osilasi saat adanya gangguan yang dirasakan oleh
pembangkit. Pada pembangkti Sutami se-lain mengalami osilasi pada daya elektrik mengalami osilasi pada daya elektrik dan terjadi perubahan daya pembangkitan. Sedangkan pada tegangan terjadi
over-shoot sebesar 0,968 pu pada 0,5 detik
setelah gangguan terjadi dan tegangan berubah dari 0,948 pu menjadi 0,952 pu pada saat setabil kembali.
Selain itu pembangkit Wlingi juga memberikan respon yang berupa daya elektrik dan tegangan saat terjadi gang-guan yang mengakibatkan Malang keluar dari seluruh interkoneksi ditunjukkan pa-da Gambar 9 pa-dan Gambar 10. Perubahan tegangan terjadi pada pembangkit Wlingi dari 0,944 pu menjadi 0,946 pu dan
overshoot yang terjadi selama osilasi
sebesar 0,962 pada 0,53 detik setelah gangguan terjadi.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil analisa menunjukan, terjadinya blackout menyebabkan system dan pembangkit mengalami perubahan daya elektrik dan mengalami osilasi. Selain itu perubahan respon pembangkit, yaitu tegangan pembangkit Wlingi dari 0,944 pu menjadi 0,946 pu dan overshoot yang terjadi selama osilasi sebesar 0,962 pu pada 0,53 detik setelah gangguan ter-jadi. Sedangkan pada pembangkit Sutami mengalami overshoot untuk tegangan sebesar 0,968 pu pada 0,5 detik setelah gangguan terjadi dan tegangan berubah dari 0,948 pu menjadi 0,952 pu pada saat setabil kembali.
DAFTAR PUSTAKA
Gross, Charles A. 1986. “Power System
Analysis”. John Wiley & Sons.
Singa-pore.
Kundur, P. 1999. “Power System Stability
and Control”. McGraw Hill. New
Nagrath, I.J., Kothari, D.P. 1989. “Modern Power System Analysis”. Tata Mc Graw Hill. New Delhi.
Padyar, K.R. 1996. “Power System
Dynamics-Stability and Control”. John
Wiley & Sons. Singapore.
Sadaat, H. 1999. “Power System
Analysis”. McGraw Hill. Singapore.
Stevenson, 1998. “Power System Analisys”, McGraw Hill. Singapore.
Yu, Yao nan. 1983. “Electric Power
System Dynamics”. Academic Press.
