Seminar Nasional dan Expo Teknik Elektro 2014
127
ISSN: 2088-9984
Peningkatan Stabilitas Sistem Transmisi 150 kV
Bali Menggunakan Facts Device
I Gede Dyana Arjana, I Nyoman Setiawan, dan I Nyoman Budiastra Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknik, Universitas Udayana Denpasar, Bali, Indonesia e-mail: dyanaarjana@ee.unud.ac.id
Abstrak—Peyaluran energi listrik melalui jaringan transmisi dengan beban yang berubah-ubah, akan menimbulkan
permasalahan seperti rugi daya dan penurunan tegangan sehingga dapat menurunkan stabilitas sistem tersebut. Usaha untuk menjaga kestabilan sistem jaringan transmisi itu sendiri maka memerlukan suatu sistem kontrol yang eisien dan handal untuk menjaga stabilitas tegangan system melalui pengendalian aliran daya listrik. Sistem yang dimaksud adalah peralatan FACTS yaitu UPFC. Pengaturan ini diawali dengan melakukan simulasi load
low dengan bantuan fasilitas program Load Flow yaiitu ETAP untuk analisa aliran daya pada sistem transmisi tersebut sehingga mengetahui letak pemasangan UPFC. Selanjutnya dengan membuat simulasi sistem saluran transmisi 150 kV Bali sebelum dan sesudah pemasangan UPFC. Hasil penelitian menunjukkan pemasangan UPFC lebih baik dibanding sistem tenaga listrik sebelum pemasangan UPFC yang terlihat dari hasil respon sistem yang didapat dari hasil simulasi sebelum pemasangan UPFC dan setelah pemasangan UPFC memiliki respon positif yaitu dapat mengontrol aliran daya sehingga faktor daya dapat meningkat 48.45% dan tegangan pada tiap bus masih dalam batas-batas yang diijinkan atau standar SPLN (+5%, -10%), namun respon negatif yang ditimbulkan yaitu meningkatnya THD harmonisa sebesar 3.25 %.
Kata kunci: Saluran Transmisi, UPFC, stabilitas sistem
I. Pendahuluan
Jaringan transmisi merupakan bagian terpenting dari Sistem Tenaga Listrik untuk menyalurkan energi listrik dari pusat pembangkit ke pusat beban (konsumen). Sistem tenaga listrik saat ini berkembang pesat ditandai adanya pembangunan sumber pembangkit yang letaknya saling berjauhan dan meliputi daerah yang luas, jaringan transmisi yang mempunyai kapasitas terbatas akan mengalami kendala dalam menyalurkan energi listrik. Energi listrik yang disalurkan melalui jaringan transmisi dengan pengaruh beban yang berubah-ubah, akan menimbulkan permasalahan pada saat penyalurannya seperti terjadinya rugi daya dan penurunan tegangan pada jaringan transmisi yang akan menurunkan kualitas daya pada sistem tersebut. Sangat penting untuk mengoptimalkan sistem jaringan transmisi dengan tetap menjaga kualitas daya, sehingga
memerlukan suatu sistem kontrol yang eisien dan handal
untuk pengendalian aliran daya listrik sekaligus juga menjaga kestabilan sistim jaringan transmisi itu sendiri.
Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi dibidang sistem tenaga listrik, untuk meningkatkan kemajuan transmisi daya listrik dengan menggunakan suatu peralatan pada jaringan transmisi. Peralatan yang dimaksud adalah Flexible AC Transmission System (FACTS) merupakan peralatan elektronik solid state yang berfungsi untuk mengendalikan jaringan transmisi
secara leksibel, dapat mengendalikan daya aktif dan daya
reaktif secara terpisah pada jaring transmisi, sehingga kemungkinan dapat merubah aliran daya pada sistem secara bersamaan, dan pasokan energi listrik ke konsumen dapat terpenuhi [4].
UPFC merupakan salah satu bagian dari peralatan elektronika daya Flexible AC Transmission System yang dipasang pada jaring transmisi tenaga listrik. Uniied
Power Flow Controller dapat mengatur aliran daya aktif dan reaktif secara simultan dan leksibel pada sistem
transmisi. UPFC terdiri dari kombinasi dua voltage source
converter (VSC), yaitu shunt VSC dan series VSC yang
dihubungkan oleh common DC link. Komponen seri UPFC memiliki fungsi utama sebagai pengatur aliran daya pada transmisi. Komponen paralel berfungsi untuk menyuplai atau menyerap daya aktif yang dibutuhkan oleh konverter seri pada common DC link dan menyerap atau membangkitkan daya reaktif yang terkontrol, sehingga dapat memberikan kompensasi reaktif secara simultan untuk meregulasi tegangan bus UPFC. Pengunaan UPFC dalam transmisi dapat mengoptimalkan aliran daya pada saluran transmisi sehingga stabilitas sistem terjaga.
Untuk mengetahui dan menganalisa pengaruh positif dan negatif dari penggunaan Uniied Power Flow
Controller (UPFC) pada sistem transmisi maka penelitian
ISSN: 2088-9984
128
Seminar Nasional dan Expo Teknik Elektro 2014
II. KajIan PustaKa
A. UPFC
UPFC merupakan piranti FACTS (Flexible AC
Transmission System) sebagai kendali yang dapat
mengontrol secara simultan tiga parameter sistem tenaga lisrik (Impedansi saluran, Sudut fasa, dan tegangan). UPFC menggunakan dua buah converter yang dapat membangkitkan sumber tegangan serempak (syncrhronous voltage source).
1. Struktur Dasar UPFC
Struktur UPFC dasar yaitu terdiri dari 2 buah Voltage Sourced Converters (VSC), yang saling terhubung dengan Common DC Link melalui DC Storage Capacitor. Setiap Converter terhubung ke sistem melalui coupling
transformer, dimana Converter 1 terhubung paralel
dengan line transmisi melalui shunt transformer (Boosting Transformer) dan dikenal sebagai STATCOM (Static synchronous compensator), sedangkan converter 2 terhubung seri dengan line transmisi melalui series
transformer (Exciting Transformer) dan dikenal sebagai
SSSC (Static synchronous series compensator).
2. Prinsif Kerja UPFC
Prisif kerja UPFC yaitu konverter 2 sebagai fungsi utama UPFC untuk menginjeksikan tegangan sebesar Vpq dengan magnitude Vpq dan sudut phasa yang dapat dikendalikan seri dengan saluran transmisi melalui exciting
transformer. Tegangan yang diinjeksikan berperan sebagai
sumber tegangan AC sinkron (synchronous ac voltage source). Arus saluran transmisi mengalir melalui sumber tegangan AC sinkron yang mengalami perubahan daya aktif dan reaktif. Diantara konverter 2 dan sistem AC, daya reaktif yang diubah pada tegangan terminal AC diubah ke daya DC pada kapasitor DC sebagai permintaan daya aktif. Fungsi utama konverter 1 adalah untuk memberikan atau menyerap daya aktif yang diminta oleh konverter 2 pada rangkaian DC bersama. Daya pada rangkaian DC dikonversi kembali ke AC dan dikopel ke saluran transmisi melalui boosting transformer, konverter 1 juga dapat menyerap daya reaktif yang dapat dikendalikan, jika diinginkan maka akan memberikan kompensasi reaktif shunt secara bebas untuk saluran transmisi.
3. Model UPFC
Rangkaian eqivalen dari UPFC, diperlihatkan
pada Gambar 1 Dimana VS dan VR masing masing sebagai tegangan pengirim dan penerima, VSh dan VSe merepresentasikan UPFC dengan sumber tegangan shunt dan seri, terhubung ke jaringan transmisi pada titik tengahnya (Mid-point). VSh dihubungkan ke jaringan melalui transformator shunt yang direpresentasikan sebagai XSh, dan VSe dihibungkan ke jaringan melalui transformator seri yang direpresentasikan sebagai XSe.
B. Simulink Matlab
Simulink adalah suatu aplikasi khusus dalam Matlab, dimana telah disediakan blok-blok fungsi sederhana ataupun kompleks. Untuk dapat menggunakan blok-blok tersebut, pengguna cukup mengetik simulink dalam command window.
C. ETAP
ETAP Power Station dapat melakukan penggambaran
single line atau one line diagram secara grais dan
mengadakan beberapa analisa atau studi, yaitu Load Flow (aliran daya), Short Circuit, motor starting, harmonisa, transient stability, protective device coordination, dan cable derating.
III. MetodologI PenelItIan
Metode yang digunakan dalam usulan tugas akhir ini adalah dengan langkah-langkah sebagai berikut :
1. Simulasi Load Flow menggunakan ETAP untuk mengetahui load low pada saluran transmisi.
2. Membuat blok diagram.
a. Pemodelan sistem kelistrikan Bali 150 kV tanpa UPFC dalam simulink matlab.
b. Pemodelan sistem kelistrikan Bali 150 kV dengan UPFC dalam simulink matlab.
3. Menentukan input/output pengontrolan.
a. Menentukan parameter dari masing-masing
input.
b. Menentukan parameter dari output yang
diinginkan.
4. Melakukan simulasi.
5. Melakukan analisa terhadap respon keluaran sistem yang dihasilkan setelah menggunakan UPFC.
Analisis dilakukan sesuai yang tergambar dalam bagan alir pada Gambar 2.
IV. hasIldan PeMbahasan
Sistem Bali membangkitkan total daya sebesar 650.666 MW. Sesuai analisis pada program ETAP Electrical Engineering Software dengan total pembangkitan sebesar 650.666 MW maka diperoleh hasil analisis yang menunjukkan bahwa susut daya pada sistem kelistrikan Bali pada kondisi eksisting tahun 2013 sebesar 32.406 MW. Susut daya terbesar penghantar yang terjadi pada saluran Baturiti sebesar 6.204 MW, Kapal-Payangan sebesar 2.792 MW, dan Baturiti-Pemaron sebesar 2.614 MW
Gambar 3 menampilkan simulasi tanpa UPFC, sedangkan simulasi dengan UPFC ditunjukkan pada Gambar 4.
Seminar Nasional dan Expo Teknik Elektro 2014
129
ISSN: 2088-9984
Perbandingan dan selisih perbandingan antara sistem tanpa UPFC dan sistem dengan UPFC dilakukan dengan cara membandingkan hasil simulasi sistem tanpa UPFC dan sistem dengan UPFC disajikan pada Tabel 2 dan 3.
respon sistem yang didapat dari sebelum pemasangan UPFC dan setelah pemasangan UPFC memiliki respon positif yaitu dapat mengontrol aliran daya sehingga faktor daya dapat meningkat 48.45% dan tegangan masih dalam batas-batas yang diijinkan atau standar SPLN (+5%, -10%), ini dikarenakan UPFC tersebut yang bekerja mengontrol tegangan untuk dapat menaikkan atau menurunkan daya aktif dan daya reaktif yang diperlukan oleh saluran transmisi agar sistem lebih baik dan stabil dengan menggunakan 2 konvertor yang ada dalam UPFC tersebut dan menginjeksikannya ke saluran transmisi dengan bantuan Coupling Transformer. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa sistem dengan UPFC memiliki kualitas dan kesetabilan sistem yang jauh lebih baik dibandingkan sistem tanpa UPFC namun respon negatif yang ditimbulkan yaitu timbulnya harmonisa sebesar 30.28%, hal ini disebabkan karena UPFC merupakan suatu peralatan elektronika daya yang memiliki sifat non linier
sehingga akan menimbulkan Graik kandungan THD yang
berdampak pada saluran transmisi tersebut.
V. KesIMPulan
Dari hasil simulasi dan analisis yang telah dilakukan mengenai pemasangan uniied power low controller
Pembuatan diagram blok Mulai
Pemodelan sistem kelistrikan Bali 150 kV tanpa UPFC dalam
simulink matlab
Simulasi Load Flow menggunakan ETAP untuk mengetahui load flow
pada saluran transmisi
Parameter saluran transmisi yang akan dimodelkan
a. impedansi b. resistansi c. reaktansi d. induktansi
Pemodelan sistem kelistrikan Bali 150 kV dengan UPFC dalam
simulink matlab
Selesai Simulasi pemodelan sistem
kelistrikan Bali 150 kV tanpa UPFC dan dengan UPFC
Performa Sistem Stabil Faktor daya ≥ 0.85
Tegangan ± 15%
Ya
Simulasi pemodelan sistem kelistrikan Bali 150 kV dengan
UPFC
Simulasi pemodelan sistem kelistrikan Bali 150 kV dengan
UPFC
Tidak Menentukan parameter
masing-masing input dan output
Analisa hasil simulasi pemodelan sistem lelistrikan Bali 150 kV tanpa UPFC
Menentukan parameter masing-masing input dan output
Gambar 2. Diagram alir alur analisis.
Tabel 1. Rangkuman Hasil Analisis Aliran Daya Kondisi Eksisting
2013.
No Uraian Nilai Keterangan
1 Total Pembang-kitan Bali
495.800 MW
2 Trans. Jawa-Bali 154.866 MW Swing (Kabel laut sirkuit 1,2)
3 Total Daya 650.666 MW
4 Daya Per GI
19.599 MW GI Amlapura
7.240 MW GI Antosari
8.470 MW GI Baturiti
46.448 MW GI Gianyar
11.260 MW GI Gilimanuk
77.920 MW GI Kapal
14.970 MW GI Negara
64.317 MW GI Nusa Dua
66.790 MW GI Padang Sambian
20.531 MW GI Payangan
38.840 MW GI Pemaron
113.177 MW GI Pesanggaran
35.930 MW GI Pklod
92.769 MW GI Sanur
5 Susut Daya total 32.406 MW
6 Susut terbesar saluran
6.204 MW Saluran Kapal-Baturiti
2.792 MW Saluran Kapal-Payangan
2.614 MW Saluran Baturiti-Pemaron
Gambar 3. Gambar simulasi tanpa UPFC.
ISSN: 2088-9984
130
Seminar Nasional dan Expo Teknik Elektro 2014
(UPFC) pada sistem kelistrikan Bali 150 kV dapat simpulkan sebagai berikut :
1). Respon sistem yang didapat dari sebelum pemasangan UPFC dan setelah pemasangan UPFC memiliki respon positif yaitu dapat mengontrol aliran daya sehingga faktor daya dapat meningkat 48.45% dan tegangan masih dalam batas-batas yang diijinkan atau standar SPLN (+5%, -10%), ini dikarenakan UPFC tersebut yang bekerja mengontrol tegangan untuk dapat menaikkan atau menurunkan daya aktif dan daya reaktif yang diperlukan oleh saluran transmisi agar sistem lebih baik dan stabil dengan menggunakan 2 konvertor yang ada dalam UPFC tersebut dan menginjeksikannya ke saluran transmisi dengan bantuan Coupling Transformer. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa sistem dengan UPFC memiliki kualitas dan kesetabilan sistem yang jauh lebih baik dibandingkan sistem tanpa UPFC namun respon negatif yang ditimbulkan yaitu timbulnya harmonisa sebesar 30.28%, hal ini disebabkan karena UPFC merupakan suatu peralatan elektronika daya yang memiliki sifat non linier sehingga akan menimbulkan
Graik kandungan THD yang berdampak pada saluran
transmisi tersebut.
2). Pengujian performa UPFC menunjukan sistem dengan UPFC dapat menaikkan daya aktif hampir sebanding dengan daya reaktif yang diturunkan pada line
transmisi. Hal ini dapat terlihat seperti pada line transmisi
Kapal-Baturiti yaitu pada sistem tanpa UPFC daya aktif 5.46 MW sedangkan sistem dengan UPFC meningkat 8.87MW dengan selisih 3.41 MW dan sistem tanpa UPFC daya reaktif 5.86 MVAR sedangkan sistem dengan UPFC menurun 2.72 MVAR dengan selisih 2.9 MVAR, sehingga faktor daya yang dihasilkan juga meningkat pada 0.6816 sebelum pemasangan UPFC dan 0.9560 setelah pemasangan UPFC dengan selisih 0.2744. pemasangan UPFC dan 0.9514 setelah pemasangan UPFC dengan selisih 0.2696.
3). Dengan menggunakan bantuan analisis pada program ETAP Electrical Engineering Software. Maka dapat diketahui dimana letak loses load low terbesar sehingga dapat mengetahui letak tempat pemasangan
Uniied Power Flow Controller (UPFC) pada sistem kelistrikan Bali 150kV ke dalam simuling matlab. Dari hasil analisa tersebut diketahui letak susut terbesar pengantar terdapat pada Kapal-Baturiti sebesar 6.204 MW, Kapal-Payangan sebesar 2.792 MW, dan Baturiti-Pemaron sebesar 2.614 MW.
RefeRensI
[1] Cekmas Cekdin, 2007. Sistem Tenaga Listrik, Contoh Soal
dan Penyelesaiannya Menggunakan Matlab. Penerbit ANDI, Yogyakarta.
[2] Imam Robandi dan Bedy Kharisma,”Design of Interval
Type-2 Fuzzy Logic Based Power System Stabilizer”,Proceedings Of World Academy Of Science, Engineering And Technology Volume 31 July 2008.
[3] Imam Robandi, “Desain Sistem Tenaga Modern”, Andi
Yogyakarta, 2006
[4] Lijun Cai dan István Erlich, “Fuzzy Coordination of FACTS
Controllers for Damping Power System Oscillations”, IEEE Transactions On Fuzzy Systems, Vol. 15, No. 1, February 2008
[5] L.Gyugyi, at.al,”The Uniied Power Flow Controller: A new
approach to power transmission control,” IEEE Trans. Power Delivery, Vol.10, pp 1085-1097, Apr 1995
[6] L.Gyugyi.: “Uniied Power Flow Control Concept for Flexible
AC Transmission Systems”, IEE Proc., General. Trans. Distrib., 1992, 139,(4), pp. 323–331.systems’, IEE Proc. C, 1992, 139, (4), pp. 32S332
[7] N.G.Hingorani, High Power Elelctronics, Scientiic American,
Novembar 1993.
[8] NOROOZIAN, M., ANGQUIST, L., GHANDARI, M.,
andANDERSON, G.: ‘Improving power system dynamics by series-connectedFACTS devices’, IEEE Trans., 1997, PWRD-12, (4), pp. 1635-1641.
[9] Padiyar, K. R. Power System Dynamics-Stability and Control.
Jhon Wiley, Singapore, 1996
[10] R. Nelson, Transmission Power Flow Control, IEEE Transactions
on Power Delivery, April 1994.
[11] Tobing, B. 2003. Peralatan Tegangan Tinggi. Jakarta: PT
Gramedia Pustakan Utama.
[12] T.S. Hutauruk, Transmisi Tenaga Listrik, Erlangga, Jakarta,
1985. Tabel 2. Perbandingan Sistem Tanpa UPFC dan Sistem Dengan UPFC
No Parameter
Sistem Tanpa UPFC Sistem Dengan UPFC
Kapal
(MW) 5.46 18.04 20.39 8.87 34.32 39.67
2
Daya Reaktif (MVAR)
5.86 19.89 26.24 2.72 11.09 16.15
3 Faktor
Daya 0.6816 0.6718 0.6135 0.956 0.9515 0.9261
4
Tegangan Pada Saluran
(kV)
135 135 130 144 155 145
5 THD 0.11% 0.12% 0.12% 4.6% 3.00% 3.25%
Tabel 3. Selisih Perbandingan Sistem Tanpa UPFC dan Sistem Dengan UPFC.
No Parameter
Selisih Perbandingan Sistem Tanpa UPFC dan Dengan UPFC
(MW) 3.41 16.28 19.28
2 Daya Reaktif
(MVAR) 2.96 8.8 10.09
3 Faktor Daya 0.2744 0.2797 0.3126
![Gambar 1. Rangkaian eqivalen dari UPFC [8].](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/646321.270456/2.595.58.284.609.751/gambar-rangkaian-eqivalen-dari-upfc.webp)
