Pengaruh Masuknya PLTS
on Grid
Skala
Besar Pada Sistem Distribusi 20 KV Terhadap
Kualitas Tegangan dan Rugi-rugi Daya
Muammar Zainuddin*1*Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Ichsan Gorontalo Jalan Drs.Achmad Najamuddin No. 17 Kota Gorontalo
1 muammarzainuddin@gmail.com
Abstract — Electrical power distribution long enough
from the central power plant to the load center has an impact on the voltage drop and the increasing power losses. One of the steps in realizing the implementation of renewable energy based on regions potential is by applying power generation on grid model. Gorontalo province has built a solar power plant with the capacity of 2 MW grid connected to the feeder LK.01 in the District of North Gorontalo Sumalata regions. This study aims to determine an impact of the implementation PLTS on Grid to the voltage quality and power losses in the distribution system. The study was conducted on a feeder LI.02, LK.01, and LA.02 in single line diagram. The analysis was performed using 4 load flow scenarios on the feeder. Scenario-1 is a condition on feeder after PLTS on Grid (PLTMH Mongango Isolated conditions). Scenario-2 is a condition on feeder after PLTS on Grid (PLTMH Mongango Interconnection). Scenario-3 is a condition after PLTS on Grid and Anggrek Substation interconnection to the distribution system (PLTMH Mongango Isolated conditions), and Scenario-4 is a condition after PLTS on Grid and Anggrek Substation into the interconnection to the distribution system
(PLTMH Mongango Interconnection). Load flow
analysis using a Newton-Raphson method. From the four scenarios, the power flow finds improvement of voltage quality and reduced power losses occur in the best-case of scenario-4. Impact of PLTS on the grid can raise the voltage nominal level at the standard operating limit of 20 KV distribution network.
Keywords
—
PLTS on grid, Voltage Quality, Power LossesI. PENDAHULUAN
Energi listrik merupakan salah satu pilar
perekonomian suatu Negara. Pemerintah Indonesia terus mengejar peningkatan rasio elektrifikasi nasional pada akhir tahun 2019 yang ditargetkan mencapai 97,35% dan khusus wilayah Provinsi Gorontalo ditargetkan mencapai 94,69% [1]. Pencapaian target
rasio elektrifikasi harus berimbang antara
pembangunan pembangkit listrik berbahan bakar minyak, gas, dan batubara dengan pembangkit listrik yang bersumber dari energi terbarukan berbasis potensi wilayah (bauran energi). Pencapaian target rasio elektrifikasi nasional dan wilayah harus disertai
dengan pembangunan jaringan transmisi, distribusi, dan listrik pedesaan.
Upaya peningkatan rasio elektrifikasi nasional disertai dengan peningkatan kualitas penyaluran daya listrik yang diterima oleh konsumen. Kualitas daya listrik berkaitan langsung dengan tingkat ketersediaan dan keberlanjutan daya listrik yang diterima oleh masyarakat. Kualitas daya listrik tidak lepas dari kondisi operasi pembangkit dan kondisi jaringan. Berbagai upaya telah dilakukan oleh Pemerintah bersama PT. PLN (Persero) untuk meningkatkan kualitas daya listrik. Upaya tersebut berupa upaya perbaikan secara regulasi (non teknis) dan perbaikan secara teknis. Solusi untuk menurunkan susut jaringan dan memperbaiki level tegangan operasi dilakukan dengan mengoptimalkan kinerja pembangkit dan
kapasitas saluran, mengoptimalkan kapasitas
transformator dan pengunaan kapasitor [2].
Distribusi daya listrik pada saluran yang cukup panjang hingga puluhan kilometer dari pusat pembangkit listrik ke pusat beban akan berdampak pada penurunan tegangan operasi dan besarnya rugi-rugi daya. Tegangan operasi akan berada diluar standar yang telah ditetapkan yaitu +5% atau -5% dari tegangan nominalnya [3]. Salah satu strategi yang dilakukan untuk memperbaiki tegangan yaitu dengan membangun pembangkit listrik tenaga surya (PLTS) tersebar skala kecil dan terhubung ke jaringan listrik PLN (on grid) [4] PLTS on grid berbasis energi terbarukan yang ramah lingkungan, ekonomis,
berkelanjutan, dan secara teknis mudah
diimplementasikan. Oleh karena itu dibutuhkan sebuah analisa terkait pengaruh masuknya pembangkit on Grid skala besar terhadap kualitas daya listrik pada jaringan distribusi 20 KV.
Pada tahun 2015 PT. PLN (Pesero) bekerjasama dengan PT.Brantas Adya Surya Energi membangun PLTS on Grid skala besar dengan kapasitas daya 2 MWp berlokasi di Kecamatan Sumalata Kabupaten Gorontalo. Daya yang dihasilkan oleh PLTS dikirim langsung ke sistem 20 KV penyulang LK. 01. Konfigurasi sistem distribusi pada wilayah tersebut menggunakan model sistem radial. Pada tahun 2017 telah dibangun Gardu Induk Anggrek dengan kapasitas 6 MVA. GI. Anggrek direncanakan terhubung dengan
sistem 20 KV pada penyulang LK.01. Penelitian ini bertujuan untuk menentukan besarnya pengaruh penerapan PLTS on Grid skala besar terhadap kualitas tegangan dan rugi-rugi daya pada sistem distribusi 20 KV. Penelitian dilakukan pada penyulang LI.02, LK.01, LK.02, LA.01 dan LA.02 dalam diagram satu garis. Analisis dilakukan dengan menggunakan 4 skenario aliran daya pada penyulang. Analisa aliran
daya menggunakan metode Newton Raphson.
Penelitian ini disimulasikan pada program ETAP 12.6.0
II. STUDIPUSTAKA
A. Sistem PLTS on Grid
PLTS on grid adalah model pembangkit listrik yang terhubung langsung ke jaringan distribusi pada sisi pelanggan. PLTS yang terhubung dengan jaringan
listrik eksisting dapat dibedakan dari skala
kapasitasnya yaitu skala kecil untuk kapasitas 5 kW – 100 kW, skala menengah 100 kW–500kW dan skala besar yaitu 500 kW – 10 MW [5]. Daya listrik DC yang dihasilkan dari panel surya dikonversikan menjadi daya AC melalui inverter. Inverter terhubung ke Transformator penaik tegangan yang terhubung ke
grid atau jala-jala (sistem distribusi). Nilai beban yang terdapat pada inverter PLTS adalah daya beban pada
grid (beban penyulang). Persyaratan utama untuk terhubung ke grid sangat ditentukan oleh kualitas arus (IPV) dan tegangan (VPV) sistem PLTS dengan arus (IAC) dan tegangan (VDC) pada jaringan [6].
Sistem PLTS berbeda dari segi utilitas beserta
karakteristiknya dengan pembangkit lainnya.
Perbedaan paling mendasar adalah tidak adanya penggunaan peralatan yang sifatnya mekanis pada proses konversi energi matahari. Karena tidak adanya
sistem mekanik, maka jenis operasional dan
penanganannya juga berbeda. Penanganan yang paling utama adalah beberapa kondisi dinamis yaitu dimana intensitas radiasi dan suhu yang bersifat fluktuatif terhadap waktu [6]. Gambar 1 ditampilkan model aliran daya PLTS on grid.
Gbr 1. Aliran daya PLTS on Grid
Generator Sinkron (GS) terhubung dengan
interkoneksi saluran transmisi atau distribusi. Sistem PLTS on grid terkoneksi dengan Gardu Distribusi (GD) tanpa melalui Gardu Induk. Gambar 2 (a)(b) ditampilkan struktur dasar konfigurasi PLTS on grid.
Solar Photovoltaic Generator Network/Grid Pref Qref id and iq V and θ
(a) Model Kontrol Konstan P dan Q Solar Photovoltaic Generator Network/Grid Pref Vref id and iq V and θ
(b) Model Kontrol Konstan P dan V Gbr 2. Struktur dasar sistem PLTS on grid [7]
Konsep struktur dasar PLTS on grid sesuai model kontrol konstan pada sistem inverter. Model kontrol konstan P dan Q yaitu kontrol daya aktif dan reaktif dalam kondisi steady state. Model kontrol konstan P dan V yaitu alih fungsi kontrol daya dan tegangan dengan model loop tertutup [7]. Dalam model ini daya aktif dan tegangan yang dikirimkan dapat dikontrol sesuai daya mampu inverter yang terhubung ke grid.
B. Analisa Aliran Daya Metode Newton Raphson
Analisa aliran daya digunakan untuk menghitung besarnya nilai daya aktif (P), daya reaktif (Q), fasor tegangan(V) dan sudut fasa (δ) yang terdapat pada berbagai titik dalam satu sistem tenaga listrik. Analisa bertujuan untuk mendapatkan besaran nilai terbaru dari penurunan tegangan dan rugi-rugi daya pada saluran. Analisa aliran daya pada penelitian ini
menggunakan metode Newton-Raphson. Metode ini
lebih efisien dan praktis untuk digunakan pada sistem radial karena memiliki jumlah iterasi lebih sedikit untuk mencapai nilai konvergen. Dalam metode ini, persamaan aliran daya dirumuskan dalam bentuk polar [8]. Dalam studi aliran daya, bus-bus dikelompokkan dalam tiga klasifikasi yaitu; (1) Slack Bus atau Swing Bus, (2) Bus Generator (Bus PV) dan (3) Bus Beban (Bus PQ). Setiap bus terdapat empat besaran yaitu P, Q, V dan δ (sudut fasa). Pada analisa aliran daya setiap bus memiliki dua besaran yang telah
ditentukan
kemudian dua besaran lainnya akan dihitung.
Apabila harga V dan δ ditentukan maka
langkah selanjutnya iterasi awal untuk
mencari nilai PV dan PQ.
1. Persamaan daya aktif pada bus i, yaitu:
n j j i ij ij j i i V V Y P 1 cos (1) 2. Persamaan daya reaktif pada bus i, yaitu:
n j j i ij ij j i i V V Y Q 1 sin (2)3. Apabila ) (k i P dan ) (k i Q
belum mencapai nilai konvergensi pada iterasi awal maka dilanjutkan
dengan membentuk elemen-elemen matriks
Jacobian.
4. Hitung nilai baru dari sudut fasa (k1) dan tegangan (k1) V . ) ( ) ( ) 1 ( k i k i k i
(3) ) ( ) ( ) 1 ( k i k i k i V V V (4)5. Apabila telah mendapatkan nilai baru sudut fasa dan tegangan maka kembali ke proses iterasi selanjutnya.
6. Proses iterasi akan berhenti jika nilai konvergen (
) sudah terpenuhi:Daya yang mengalir dari bus i ke bus j diperoleh dengan persamaan: * . ij i ij ij ij P jQ V I S (5)
Sebaliknya, arus yang mengalir dari bus j ke bus i
diperoleh dengan persamaan :
2 ' ji j ij i j ji Y V Y V V I (6)Sebaliknya juga, daya yang mengalir dari bus j ke bus
i diperoleh dengan persamaan :
* . ij i ij ij ji P jQ V I S (8)
sehingga persamaan rugi-rugi daya pada saluran i-j
dituliskan: ji ij ij S S SL (9) dimana: ) 1 (k i
V
= Nilai magnitude tegangan baru. )
(k i V
= Nilai magnitude tegangan lama,
) (k i V
= Nilai koreksi tegangan, ) 1 ( k i
= Sudut phasa tegangan baru,
) (k i
= Sudut phasa tegangan lama )
(k i
Q
= Nilai koreksi sudut phasa,
Prosedur penyelesaian proses iterasi akan berhenti jika nilai konvergen (ε) sudah terpenuhi.
Penurunan tegangan pada saluran distribusi adalah selisih antara tegangan ujung pengiriman dengan tegangan ujung penerima. Pada saluran bolak balik besar kecilnya jatuh tegangan tergantung nilai impedansi, admitansi saluran, beban dan faktor daya.
III. METODEPENELITIAN
Penelitian ini dilakukan pada penyulang 20 KV LI.02, LK.01, LK.02, LA.01 dan LA.02. Penyulang LI.02 adalah penyulang yang menerima suplai daya
dari GI.Isimu melalui GH.Isimu Kearah
GH.Kwandang dengan panjang saluran 48,07 Kms
(kilometer sirkuit). Penyulang LK.01 adalah
penyulang yang menerima suplai daya dari
GH.Kwandang dan menyalurkannya sampai pada Kec. Tolinggula dengan panjang saluran 78.18 kms. Penyulang LK.02 menerima suplai daya dari GH.
Kwandang dan menyalurkannya sampai pada
LBS.Auri. Penyulang LA.02 menerima suplai daya dari GH.Atinggola kemudian menyalurkannya kearah LBS.Kotajin. GH.Atinggola sendiri menerima suplai daya dari arah interkoneksi PLTMH Mongango (PLTMH Isolated-LBS Auri normally Open) atau GH.Atinggola dapat menerima suplai daya dari GH.Kwandang apabila kondisi PLTMH Interkoneksi-LBS Auri normally close).
A. Sistem Tenaga Listrik Gardu Induk Isimu
Daya listrik pada GI. Isimu dihasilkan dari beberapa pembangkit listrik yang ada di Provinsi Gorontalo melalui saluran interkoneksi 150KV kemudian diturunkan pada tegangan 20 KV untuk disalurkan ke sistem distribusi 20 KV. Kapasitas daya trafo yang ada di GI.Isimu sebesar 30MVA. Pada tahun 2017 telah dibangun GI.Anggrek dengan kapasitas 6 MVA dan direncanakan masuk ke sistem interkoneksi 150/20 KV pada tahun yang sama. GI.Anggrek akan beroperasi dan terhubung ke penyulang LK.01. Berikut ditampilkan gambar 3 flowchart penelitian.
Gbr 3. Flowchart Metode Penelitian
Penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahapan yaitu :
1) Tahap pertama; dimulai dengan pengumpulan
data awal berupa data teknis GI.Isimu,
GI.Anggrek, beban penyulang, dan data PLTS. 2) Tahap kedua; melakukan pemodelan sistem dan
melakukan simulasi aliran daya kondisi awal. 3) Tahap ketiga; melakukan pemodelan sistem
sesuai dengan 4 skenario aliran daya penyulang. 4) Tahap keempat; yaitu membandingkan level
tegangan dan rugi-rugi daya masing-masing
skenario. Perbandingan tegangan menjadi
kesimpulan mengenai pengaruh masuknya PLTS
on Grid.
Tabel 1 ditampilkan data jenis saluran, panjang
saluran dan beban persection masing-masing
penyulang.
TABELI
DATAJENIS,PANJANGSALURANDANBEBAN PENYULANG Penyulang/ Section Penghantar (mm2) Panjang Saluran (kms) Beban (kW) GI Isimu - GH Isimu AAACS-150 18.11 105 Penyulang LI.02 Gunung Kapur AAAC-95 1.20 105 Buhu AAAC-95 16.87 200 GH.Kwanda ng AAAC-95 30 400 Penyulang LK.01 LBS. Bulalo AAAC-70 4.50 LBS. Pontolo AAAC-70 5.0 LBS.Anggre k AAAC-150 15 Kec. Monano AAAC-70 2.0 147 Kec. Sumalata AAAC-70 18.66 84.28 5 Kasia AAAC-70 14.88 116 Kec.Tolingg ula AAAC-70 18.59 52.67 Penyulang LK-02 Auri AAAC-70 29.89 84.28 5 Penyulang LA.02 Kotajin AAAC-70 19.80 186 GH.Atinggol a AAAC-70 13.45 105 Penyulang LA.01 Buata AAAC-95 15.10 62.88 1 (Kms : Kilometer sirkuit)
B. Sistem PLTS on Grid Kapasitas 2MWp
Sistem PLTS on Grid di Kecamatan Sumalata
memiliki kapasitas daya 2MWp. Sistem tersebut terbagi atas 2 grup yaitu masing-masing grup berkapasitas 1 MWp. Satu grup terdiri dari 4284 buah panel surya. Setiap panel surya memiliki kapasitas daya 240Wp. Satu grup terhubung dengan 34 buah inverter kapasitas 30kW. Satu unit inverter melayani 126 panel surya. Satu grup PLTS terhubung dengan satu unit transformator penaik tegangan 400V/20KV dengan kapasitas daya 1250KVA.
Skenario aliran daya pada penyulang;
1. Skenario-1; kondisi aliran daya penyulang setelah PLTS on Grid (PLTMH kondisi isolated)
2. Skenario-2; kondisi aliran daya penyulang setelah PLTS on Grid (PLTMH kondisi Interkoneksi) 3. Skenario-3; kondisi aliran daya penyulang setelah
PLTS on Grid dan masuknya GI.Anggrek
(PLTMH kondisi isolated)
4. Skenario-4; kondisi aliran daya penyulang setelah
PLTS on Grid dan masuknya GI.Anggrek
(PLTMH kondisi Interkoneksi)
IV. HASILDANPEMBAHASAN
A. Kualitas Tegangan dan Rugi-rugi daya Kondisi Eksisting
Analisa aliran daya kondisi eksisting dilakukan untuk menentukan profil tegangan dan rugi-rugi daya
pada penyulang sebelum masuknya PLTS on Grid dan
sebelum masuknya GI.Anggrek. Berikut ditampilkan gambar 4 single line diagram kondisi eksisting seluruh penyulang.
Gbr 4. Single line diagram kondisi eksisting seluruh penyulang Aliran daya pada kondisi eksisting terbagi atas dua kondisi. Eksisting#1 yaitu saat penyulang disuplai dari GI.Isimu dan penyulang LA.01 disuplai dari interkoneksi pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTMH) Mongango 2x600kW. Kondisi tersebut dilakukan apabila Load Breaker Switch (LBS) Auri dalam posisi normal open. Aliran daya dari GI.Isimu
mengalir sampai pada LBS.Auri dan ke arah Kec. Tolinggula. Eksisting#2 yaitu saat suplai daya utama ditambah suplai daya dari PLTMH Mongango saling terhubung dengan seluruh beban yang ada pada penyulang. Kondisi ini terjadi apabila LBS.Auri dalam kondisi normal close. Berikut ditampilkan grafik terjadinya penurunan tegangan kondisi eksisting #1 dan #2.
Hasil analisa aliran daya kondisi eksisting menunjukkan penurunan tegangan terjadi pada seluruh bus yang ada diseluruh penyulang.
Gbr 5. Grafik tegangan kondisi eksisting seluruh penyulang Penurunan terbesar terjadi pada bus atau daerah Kec. Tolinggula sebesar 16,70% (eksisting#1) dan 13,59% (eksisting#2). Penurunan tegangan terjadi diatas -5% dari tegangan nominal 20KV serta rugi-rugi daya terjadi sebesar 216,8kW (eksisting#1) atau sebesar 187,8kW (eksisting#2). Penurunan tegangan diluar standar operasi disebabkan oleh jauhnya jarak pembangkit utama ke lokasi beban. Jauhnya jarak saluran distribusi menyebabkan nilai imedansi (Z) pada kawat penghantar menjadi besar. Nilai impedansi yang besar mengakibatkan beda potensial dari saluran sisi kirim ke ujung saluran penerima menjadi rendah.
Besarnya nilai impedansi juga mengakibatkan
besarnya nilai daya yang hilang sepanjang saluran penghantar.
B. Kualitas Tegangan dan Rugi-rugi daya berdasarkan skenario Aliran Daya
Gambar 6. Pemodelan sistem tenaga listrik pada seluruh penyulang berdasarkan skenario pola aliran daya pada penyulang. Sistem tenaga listrik dimodelkan dengan 4 konfigurasi pola aliran daya. Dari ke empat kondisi menghasilkan pola aliran daya yang berbeda dan memberikan pengaruh yang signifikan terhadap terjadinya penurunan tegangan dan rugi-rugi daya pada penyulang. Pada skenario-1 penurunan tegangan tertinggi mencapai -5,58% atau sebesar 18,85KV pada Bus Auri. Pada skenario-2 penurunan tegangan tertinggi mencapai 4,61% atau sebesar 19.07KV. Pada skenario-3 penurunan tegangan tertinggi mencapai 3,56% atau sebesar 19.2KV dan pada skenario-4 tegangan terendah mencapai 3.52% atau sebesar
19,2KV di lokasi Bus Kotajin. Gambar 7 grafik perbandingan tegangan.
Gbr 6. Pemodelan Sistem Tenaga Listrik Seluruh Penyulang
Gbr 7. Grafik perbandingan tegangan kondisi eksisting dan skenario
Gbr 8. Grafik perbandingan rugi-rugi daya kondisi eksisting dan scenario
Gambar 8. Grafik perbandingan rugi-rugi
berdasarkan 4 skenario pola aliran daya. Hasil analisa aliran daya berdasarkan 4 skenario pola aliran daya menghasilkan penurunan total rugi-rugi daya (susut energi) terkecil terjadi pada skenario-4 yaitu sebesar 47,1 kW atau sebesar 22% dari rugi-rugi daya yang terjadi sebelum PLTS on Grid. Kondisi ideal pada
LBS Auri NO/NC PLTS on Grid 2 MWp GI.Anggrek GI.Isimu
skenario-4 disebabkan oleh masuknya seluruh sumber daya listrik langsung ke penyulang 20KV. Model PLTS on Grid menjadikan beban berada dekat dengan lokasi sumber tegangan. Besarnya daya PLTS yang disalurkan langsung ke penyulang membawa dampak pada perubahan tegangan operasi menjadi normal atau sesuai standar operasi. Namun, masuknya PLTS on grid skala besar harus di backup dengan sumber
tegangan lainnya. Hal ini dilakukan untuk
mengantisipasi apabila PLTS tidak dapat
menghasilkan daya untuk disalurkan ke jaringan.
V. KESIMPULAN
Penurunan tegangan terjadi pada penyulang diakibatkan karena jauhnya sumber tegangan utama pada sistem tenaga listrik ke pusat beban. Model PLTS on Grid memberikan dampak perbaikan tegangan pada sisi beban. Skenario pola aliran daya menghasilkan kondisi aliran daya yang dapat menyebabkan penurunan nilai rugi-rugi daya yang terjadi pada seluruh penyulang. Masuknya PLTS on Grid skala besar memberikan dampak yang cukup signifikan terhadap kualitas tegangan operasi yang berada pada standar operasi jaringan.
REFERENSI
[1] Kementerian ESDM RI, “Rencana Strategis Direktorat Jenderal Ketenagalistrikan 2015-2019,” Jakarta, 2015. [2] M. Zainuddin and L. Wiraputra, “Analisa Masuknya Gardu
Induk Anggrek dan Rekonfigurasi Jaringan terhadap Kualitas Tegangan dan Rugi-rugi Daya (Studi Kasus PLN Rayon Kwandang Area Gorontalo),” J. Rekayasa Elektr., vol. 12, no. 3, 2016.
[3] SPLN 1:1995, Standar-Standar Tegangan. Jakarta.
[4] M. Zainuddin, H. Suyono, and S. Dachlan, “Optimasi Injeksi Photovoltaic Distributed Generations ( PVDG ) Menggunakan Metode Algoritma Genetika,” J. EECCIS Univ. Brawijaya, vol. 8, no. 2, pp. 199–203, 2014.
[5] P. Chongfuangprinya, J. Spare, S. Member, J. R. Agüero, J. H. R. Enslin, H. Al-atrash, and M. Ieee, “Integration of Micro-Scale Photovoltaic Distributed Generation on Power Distribution Systems : Steady-State Analyses,” pp. 1–6, 2012. [6] H. Suyono and M. Zainuddin, “Injection Impact of
Photovoltaic Distributed Generations ( PVDG ) on Power Distribution System Stability,” in Applied Mechanics and Materials, 785th ed., vol. 785, Switzerland: Trans Tech Publications, 2015, pp. 403–408.
[7] B. Tamimi, C. Cañizares, K. Bhattacharya, and S. Member, “System Stability Impact of Large-Scale and Distributed Solar Photovoltaic Generation :,” vol. 4, no. 3, pp. 680–688, 2013. [8] C. Cekdin, Sistem Tenaga Listrik. Yogyakarta: Andi
