STUDI ALIRAN DAYA SINKRONISASI GRID PADA SISTEM
CATU DAYA DARURAT PLTN PWR 100 MWe
Khairul Handono, Indarzah, dan Tukiman
Pusat Rekayasa Fasilitas Nuklir-Badan Tenaga Nuklir Nasional Kawasan Puspiptek gd.71 Serpong Tangerang Selatan
ABSTRAK
STUDI ALIRAN DAYA SINKRONISASI GRID PADA SISTEM CATU DAYA DARURAT PLTN PWR 100 MWe. Telah dilakukan simulasi aliran daya sinkronisasi grid pada sistem
catu daya darurat PLTN tipe PWR 100 MWe. Sistem catu daya darurat yang didesain pada PLTN 100 MWe merupakan dua buah genset identik dengan kapasitas masing masing sebesar 800 kVA. Generator darurat ini harus harus dapat mensuplay kebutuhan Reaktor Protection System (RPS) dan pompa primer (pompa sirkulasi pendingin) ketika terjadi kecelakaan kehilangan catu daya (stasiun blackout). Dari hasil simulasi mengunakan software ETAP menunjukkan bahwa sistem catu daya darurat dapat memasok kebutuhan RPS dan pompa primer 400 kVA. Penelitian ini sangat penting dilakukan untuk mengetahui desain yang tepat pada spesifikasi generator dan komponen proteksi pada sistem catu daya darurat PLTN tipe PWR 100 MWe.
Kata kunci: aliran daya, catu daya darurat, PWR 100 MWe
ABSTRACT
STUDY OF GRID SYNCHRONIZATION POWER FLOW IN EMERGENCY POWER SUPPLY SYSTEM OF NPP 100 MWe. A grid synchronization load flow simulation has been
carried out on supply emergency system of 100 MWe PWR type nuclear power plant. The emergency power supply system designed at the 100 MWe nuclear power plant is two identical generators with a capacity of 800 kVA. The emergency generator must be able to supply the needs of the Reactor Protection System (RPS) and primary pump (cooling circulation pump) in the event of an accident of loss of power supply (blackout station). From the simulation results using ETAP software shows that the emergency power supply system can supply the needs of RPS and primary pump 400 kVA. This research is very important to be carried out to determine the exact design of the generator specifications and the protection components and system of the 100 MWe PWR type Nuclear power supply system.
Keywords: power flow, emergency power supply, PWR 100 MWe
PENDAHULUAN
Indonesia merupakan negara kepulauan yang sangat luas mulai dari pulau besar, sedang dan kecil, pulau-pulau besar adalah: Jawa, Sumatera, Kalimantan, Sulawesi, dan Papua. Berdasarkan hal tersebut, di masa depan Indonesia membutuhkan pasokan energi yang besar. Selanjutnya energi nuklir akan menjadi bagian dari sumber energi bauran nasional berdampingan dengan sumber energi fosil, gas, air dan energi terbarukan lainnya. Kebutuhan energi nuklir di Indonesia melalui Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) akan memegang peran penting dalam mencukupi kebutuhan energi listrik.
Pemilihan teknologi, jenis dan kapasitas PLTN menjadi penting dan menarik untuk dikaji dan dibahas secara komprehensif dikarenakan kompleksitas permasalahan negara kepulauan tersebut. Dari segi besarnya kapasitas daya PLTN, ada pilihan yang menarik untuk dipertimbangkan menggunakan opsi PLTN kecil, dan medium yang dikenal dengan SMR modular. Badan Energi Atom Internasional (IAEA) mendefinisikan kecil di bawah 300 MWe, sampai dengan sekitar 700 MWe sebagai medium. [1,2]
Oleh karena tingginya biaya modal reaktor daya besar yang menghasilkan listrik melalui siklus uap dan sebagian karena kebutuhan untuk melayani jaringan listrik kecil ada langkah untuk mengembangkan unit yang lebih kecil. Ini dapat dibangun secara mandiri atau sebagai modul di wilayah yang lebih besar, dengan kapasitas yang ditambahkan secara bertahap sebagaimana diperlukan secara kekonomian dipertimbangkan karena jumlah yang dihasilkan. PLTN kecil dan independen lebih sesuai untuk wilayah terpencil. Oleh karena itu,
(Light Water Reactor) menjadi menarik. PLTN Unit kecil dipandang relatif sebagai investasi yang jauh lebih mudah dikelola daripada yang besar yang biayanya sering menyaingi kapitalisasi utilitas yang bersangkutan. [3] Jenis SMR yang dikembangkan didunia antara lain SMART jenis PWR kapasitas 100 MWe yang dikembangkan oleh Korea. Westinghouse juga mengembangkan 100 s/d 335 MWe jenis PWR dengan nama IRIS. Demikian juga di China telah mengembangkan PWR 100 MWe dengan nama ACP 100. [4]
Pada makalah ini penelitian hanya difokuskan untuk studi aliran daya untuk sinkronisasi daya pada PLTN 100 MWe dengan grid yang ada. Tujuan penelitian ini adalah studi aliran daya sinkronisasi menggunakan simulasi software ETAP 12.6 sehingga dapat diketahui aliran daya sinkronisasi antara catu daya yang digunakan oleh PLTN 100 MWe dengan grid. Input data awal yang digunakan menggunakan catu daya darurat yang ada di Kawasan Gedung 71, dan reaktor GA Siwa Bessy Kawasan PUSPIPTEK Serpong yang dipadukan dengan data tipikal data desain yang akan digunakan untuk kebutuhan catu daya darurat PLTN 100 MWe. [4]
DESKRIPSI SISTEM
Sistem catu daya untuk data yang diacu di diesel generator Gedung 71, Kawasan Puspiptek, Serpong, sebaiknya ditambahkan yang menyediakan pasokan cadangan dalam bentuk generator yang ditetapkan sebagai pasokan cadangan jika ada pemadaman listrik dari jaringan PLN. Sehingga pemodelan catu daya darurat PLTN diletakkan pada grid yang ada Bersama aliran daya beban sebagai kebuutuhan RPS dan pompa sirkulasi yang mencatu kebutuhan beban penerangan. Sistem cadangan dengan menggunakan generator set saat ini masih hanya dirancang untuk memenuhi kebutuhan sistem pencahayaan dan persyaratan laboratorium penting yang memiliki daya sangat terbatas.
Studi ini dilakukan dengan mengumpulkan data seperti: mencari diagram garis tunggal, data transformator, beban transformator, panjang konduktor dan jenis konduktor, dan gangguan data yang terjadi dalam sistem catu daya, dan relay data dipasang. Penelitian ini cukup membantu dalam pengalaman analisis aliran daya beban dalam hal pasokan daya listrik untuk pembangkit listrik tenaga nuklir kecil. [3].
Analisis aliran beban adalah pendekatan yang paling penting dan esensial untuk investigasi masalah dalam operasi dan perencanaan sistem tenaga. Berdasarkan pembangkit yang ditentukan negara dan struktur jaringan transmisi, analisis aliran beban memecahkan stabilitas status operasi dengan tegangan simpul dan aliran daya cabang di sistem daya. Analisis aliran beban dapat menghasilkan kondisi operasi daya yang stabil dan seimbang pada sistem jaringan (grid), tanpa mempertimbangkan proses transien sistem. Karena itu, model matematika masalah aliran beban adalah sistem persamaan aljabar non linier sederhana.
Aliran daya beban adalah alat penting yang digunakan oleh para designer listrik untuk perencanaan, untuk menentukan operasi terbaik untuk analisis sistem tenaga dan pertukaran daya antar pemasok beban antar catu darurat beberapa diesel generator. Untuk memiliki sistem daya operasi yang andal dan efisien, perlu untuk menentukan metode mana yang cocok dan efisien untuk analisis aliran beban sistem. Makalah ini menyajikan analisis masalah aliran daya beban dalam studi perencanaan sistem tenaga untuk disain system catu daya darurat PLTN 100 MWe. Metode numerik yang digunakan adalah Newton-Raphson untuk solusi analisis aliran daya menggunakan software ETAP. Hasil simulasi untuk jumlah iterasi, waktu komputasi, nilai toleransi dan konvergensi untuk menganalis aliran daya beban.
Studi Aliran Daya Optimun
Studi optimasi aliran daya dianggap penting dalam erencanaan untuk membangun sistem daya dan dapat mencapai operasi sistem daya pada stabil dari seluruh tegangan, daya aktif dan reaktif. Pada kestabilan dalam sistem tenaga, pembangkit tenaga disamakan dengan nilai beban dengan pertimbangan rugi-rugi saluran. Selain itu, daya permintaan adalah nilai konstan untuk beban, yang mengalir melalui saluran transmisi Optimalisasi aliran daya dapat memperoleh sudut tegangan terhadap arus dan magnitudo di semua bus dalam sistem pada operasi kondisi tunak. Juga, aliran daya aktif dan reaktif melalui masing-masing saluran dapat dihitung. Studi ini dapat menghitung kondisi tunak (steady state), beban berlebih dan beban bawah. Para peneliti mempelajari banyak solusi yang berbeda untuk memecahkan masalah optimalisasi daya selain perhitungan analisis aliran daya. Penggunaaan teknologi konverter daya automatis (menggunakan peralatan elektronik) dan dan juga pengunaan software kecerdasan buatan yaitu metode algoritma Particle Swarm
Optimization (PSO), penggunaa sistem Static Var Compensation (SVC).[5,6]. Makalah ini
membahas perhitungan aliran daya aktif dan reaktif mengenai aliran beban yang dapat disimulasikan oleh bus IEEE bus yang digunakan untuk studi aliran beban menggunakan metoda Metode Newton Rapson pada ETAP 12.6.
.
..
.
.
.
Ii Vi V1 V2 Vn yi1 yi2 yin yi0Gambar 2. Konsep model sistem bus
Dari Gambar 2 dapat ditulis persamaan:
∑
==
n j j ij iY
V
I
1 (1)Dari persamaan (1) diatas ditulis dalam bentuk polar sebagai berikut:
∑
=+
∠
=
n j j ij j ij iY
V
I
1δ
θ
(2)Persamaan daya pada bus i dapat ditulis:
i i i
i
jQ
V
I
P
−
=
*
(3)Dengan mensubstitusikan persamaan (2) ke persamaan (3), akan diperoleh persamaan:
∑
=+
∠
−
∠
==
−
n j j ij j ij i i i ijQ
V
Y
V
P
1δ
θ
δ
(4)Bagian riil dan imajiner persamaan (4) kemudian dipisahkan sehingga diperoleh daya aktif P (riil) dan daya Reaktif (imajiner) sebagai berikut:
)
cos(
1 j i ij ij j n j i iV
V
Y
P
=
∑
θ
−
δ
+
δ
= (5) ) ( 1 j i ij ij j n j i i V V Y sis Q =∑
θ
−δ
+δ
= (6) METODOLOGILangkah perhitungan dilakuan dengan tahapan sebagai berikut: 1. Pemodelan Sistem menggunakan Software ETAP 12.6.0
2. Input data, yaitu: data Sumber PLN, Trafo, Saluran, dan beban yang diperoleh dari sistem yang terkait dengan catu daya Kawasan GI PUSPIPTEK dalam hal ini menggunakan catu daya darurat diesel Generator pada Gedung 71 dan dalam pengembangan perencanaan selanjutnya dan data bias di update untuk kebutuhan sistem catu daya darurat PLTN.
3. Menghitung aliran daya dengan metode Newton-Raphson
4. Mengevaluasi aliran daya dan tegangan bus di setiap bus yang ada dalam sistem.
Diagram alir (flowchart) perhitungan aliran daya menggunakan metode Newton-Raphson diperlihatkan pada gambar 3
Mulai
Pemodelan sistem Tenaga Listrik
Baca Data Bus, Saluran Trafo
Bentuk Matrik Ybus
Baca Tegangan bus awal
Nilai Pi dan Qi sesuai data Hitung Daya Aktif dan Reaktif
) cos( 1 j i ij ij j n j i i VV Y P=∑ θ −δ+δ = ) ( 1 j i ij ij j n j i i VV Ysis Q=∑ θ −δ+δ = SELESAI Ya
Hitung Elemen-Elemen Jacobian J1, J2, J3, dan J4 Tidak ∆ ∆ = ∆ ∆ V J J J J Q P δ 4 3 2 1
Koreksi nilai tegangan
) ( ) ( ) 1 ( k i k i k i V V V + = +∆
Hitung tegangan bus baru
Iterasi = iterasi+1
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari hasil running program ETAP dapat ditampilkan untuk model diagram segaris sistem yang Digambar dalam ETAP yaitu tambahan untuk pemodelan beban untuk catu RPS PLTN sebesar 50 kVA dua pompa sirkulasi primer PLTN sebesar sebesar 300 kW yang redundancy dan dua buah Generator 1 dan 2 yang berupa diesel generator identik yang berfungsi sebagai catu daya darurat masing masing sebesar 800 kW.
Gambar 4. Diagram segaris sistem sinkronisasi grid
Dari hasil simulasi aliran daya menggunakan software ETAP 12.6.0 di atas dapat dilihat daya yang mengalir pada tiap-tiap bus. Besarnya daya yang mengalir tergantung pada beban yang terpasang pada bus tersebut.
Pada gambar 5 Aliran daya aktif yang mengalir dari bus panel 2 sebesar 937 kW dan daya reaktif sebesar 382 kVAR untuk aliran daya aktif pada sistem RPS sebesar 49 kVA. Sementara daya reaktif yang mengalir masing-masing sebesar 382 kVAR, sehingga perlu dipasang kapasitor bank yang dipasang parallel dengan beban atau denga sistem Static Var
Compensation (SVC) dan Static Synchronous Compensator (STATCOM).
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 1 berikut ini.
Tabel 1. Laporan dari Load Flow
KESIMPULAN
Dari hasil simulasi mengunakan software ETAP menunjukkan bahwa sistem catu daya darurat dapat memasok kebutuhan RPS dan pompa primer 400 kVA. Penelitian ini sangat penting dilakukan untuk mengetahui desain yang tepat pada spesifikasi generator dan komponen proteksi pada sistem catu daya darurat PLTN tipe PWR 100 MWe. Aliran daya aktif yang mengalir dari bus panel 2 sebesar 937 kW dan daya reaktif sebesar 382 kVAR untuk aliran daya aktif pada sistem RPS sebesar 49 kVA. Sementara daya reaktif yang mengalir masing-masing sebesar 382 kVAR, sehingga perlu dipasang kapasitor bank yang dipasang parallel dengan beban atau denga sistem Static Var Compensation (SVC) dan Static Synchronous Compensator (STATCOM).
UCAPAN TERIMA KASIH
Kami ucapan terima kasih disampaikan kepada kepala TU dan Ka PRFN yang telah memfasilitasi pengambilan data di Gedung 71 dan Flagship RISTEK Dikti yang telah mendanai penelitian ini. Tak lupa juga kami ucapkan terima kasih kepada tim Sarpras Gedung 71 yang mengoperasikan dan merawat sistem catu daya untuk 5 Pusat di Batan atas kerjasamanya.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Abdulla, A., Azevedo, I.L., Morgan, M.G. Expert assessments of the cost of light water small modular reactors. Proc. Natl. Acad. Sci. 110 (24), 9686., (2013)
[2] Antysheva, T., “SVBR-100,” New Generation Power Plants for Small and Medium-sized Power Applications, (2011)
[3] Shikha Prasad et al, Journal Elsevier, “Nonproliferation improvements and challenges presented by small modular reactorsProgress in Nuclear Energy 80, 102e109, (2015)
[4] Khairul Handono, Edy Sumarno, Dedy Haryanto, Kiswanta, Topan Setiadipura, Koes Indrakoesoema, Rokhmadi, “Mechatronic Design And Analysis Of Reaktor Daya Experimental Components”, International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 9(8), pp. 405–414, (2018)
[5] Dharamjid, et al, “Load Flow Analysis on IEEE 30 Bus System”, International Journal of Scientific and Research Publications, Volume 2, Issue 11, 1 ISSN 2250-3153, (2012) [6]
Ali M. Eltamaly et al
“Load Flow Analysis by Gauss-Seidel Method: A Survey”,International Journal of Mechatronics, Electrical and Computer Technology, PISSN: 2411-6173, EISSN: 2305-0543, Egypt, (2016)
[7] Rohit Kapahi, et al, ”Load Flow Analysis of 132 kV Substation using ETAP”, International Journal of Scientific Engineering and Research’’,Volume 4, Issue 2,India, (2013).
[8] Rana A Jabbar Khan, et al ”Analyses and monitoring of 132 kV grid using ETAP software”, Journal of Electrical and Electronics Engineering, Turkey, (2009).
[9] Kiran Natkar ,et al, “Design Analysis of 220/132 kV Substation using ETAP”,International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), vol 2, India, (2015).
