ANALISIS STABILITAS TRANSIEN DAN PERANCANGAN PELEPASAN BEBAN PADA SISTEM KELISTRIKAN
PT. PUPUK KUJANG
Median Haryasepta P – 2207 100 114
Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Keputih-Sukolilo, Surabaya - 60111
Abstrak : PT. Pupuk Kujang adalah perusahaan penghasil pupuk yang berlokasi di kota Cikampek, Jawa Barat. Untuk menyuplai beban total sebesar 14.8 MW dengan spinning reserve yang tinggi, PT. Pupuk Kujang akan memparalel dua buah generator berkapasitas masing- masing 18.3 MW, 11.8 MW dan supply daya dari PLN sebesar 11.68 MW. Akibat perubahan konfigurasi ini, maka diperlukan pemodelan sistem yang dapat digunakan untuk menganalisis kinerja sistem secara keseluruhan. Pada tugas akhir ini dilakukan analisis kestabilan transien yang meliputi kestabilan frekuensi dan tegangan akibat terjadinya hubung singkat, lepas generator dan motor starting di PT.
Pupuk Kujang. Dari hasil analisis dapat disimpulkan bahwa lepasnya generator menyebabkan penurunan pada frekuensi sistem sehingga dibutuhkan skema pelepasan beban untuk menaikkan frekuensi menjadi 49.75 Hz. Sedangkan starting motor menyebabkan tegangan bus yang terhubung dengan motor turun sampai 79.18% dari tegangan nominalnya, penurunan tengangan ini dapat dikurangi dengan menambahkan peralatan starting pada motor. Gangguan hubung singkat yang terjadi dapat menyebabkan tegangan bus disekitar gangguan turun sampai 56.67% sehingga perlu dilakukan pelepasan CB pada sumber gangguan
Kata Kunci : Kestabilan transien, pelepasan beban
I. PENDAHULUAN
Listrik merupakan sumber energi yang sangat penting dalam kehidupan sehari-hari kita. Oleh karena itulah kualitas dari listrik yang tersalurkan harus baik.
Perubahan seketika pada sistem dapat menyebabkan timbulnya ketidakstabilan pada sistem tenaga listrik. Oleh karena itu diperlukan suatu analisa kestabilan dengan tujuan agar sistem tidak lepas dari batas kestabilannya apabila terdapat gangguan yang timbul.
Kestabilan pada umumnya didefinisikan sebagai kemampuan dari suatu sistem tenaga listrik bolak-balik yang didalamnya terdapat dua atau lebih mesin sinkron, untuk mempertahankan kesinkronan dan operasi normalnya pada berbagai kondisi. Dalam kondisi stabil, pada sistem terdapat keseimbangan antara daya input mekanis pada prime mover dengan daya output elektris (beban listrik). Terdapat berbagai macam gangguan yang dapat menyebabkan terjadinya ketidakstabilan suatu sistem tenaga listrik, antara lain: generator atau sumber listrik yang tiba-tiba lepas dari sistem, terjadi hubung singkat dan akibat motor starting. Lepasnya sumber listrik secara tiba-tiba dapat menyebabkan antara suplai dan beban menjadi tidak seimbang. Gangguan hubung singkat akan menyebabkan timbulnya aliran arus dengan
nilai yang besar menuju ke titik gangguan, sehingga tegangan di sekitar gangguan menurun secara signifikan.
Sedangkan saat suatu motor di-starting, maka motor tersebut dapar menarik arus yang besarnya 5x atau 6x dari arus rating normalnya, sehingga mengakibatkan tejadinya penurunan tegangan di sistem.
PT. Pupuk Kujang terdiri dari dua buah pabrik yaitu pabrik K-1A dan pabrik K-1B. Kedua pabrik tersebut (pabrik K-1A dan K-1B) selama ini bekerja secara terpisah untuk memenuhi kebutuhan bebannya masing-masing. Namun saat ini PT. Pupuk Kujang berencana untuk melakukan pengembangan dengan cara mengintegrasikan antara pabrik K-1A dan K-1B serta sumber dari PLN dengan tujuan untuk meningkatkan spinning reserve (cadangan berputar) dalam memenuhi kegiatan operasionalnya.
Pada Tugas Akhir ini dilakukan simulasi dan analisis kestabilan transien pada sistem kelistrikan PT.
Pupuk Kujang yang berencana akan mempararelkan generator pada kedua pabriknya serta sebuah sumber PLN. Hal ini dilakukan untuk melihat bagaimana respon dari frekuensi dan tegangan sistem pada PT. Pupuk Kujang ketika terjadi gangguan berupa lepas pembangkit, hubung singkat dan motor starting. Dari hasil simulasi dan analisis diharapkan didapatkan suatu rekomendasi yang dapat digunakan untuk mengatasi apabila terjadi gangguan seperti di atas.
II. SISTEM KELISTRIKKAN PT. PUPUK KUJANG Seperti yang telah di jelaskan sebelumnya, pada PT. Pupuk Kujang terdapat dua buah pabrik yaitu pabrik K-1A dan pabrik K-1B yang masing-masing bekerja secara terpisah untuk memenuhi kebutuhan bebannya.
Pada pabrik K-1A terdapat tiga buah generator dimana hanya satu generator yang bekerja yaitu generator 2006-J untuk melayani kebutuhan beban sebesar 8.3 MW di pabrik K-1A. Sedangkan pada pabrik K-1B, terdapat dua buah generator dan hanya satu generator yang digunakan yaitu generator G-GI7001 untuk melayani kebutuhan beban di pabrik K-1B sebesar 6.5 MW . Selain memiliki generator sebagai sumber utama, pada PT. Pupuk Kujang terdapat gardu induk yang terhubung dengan sumber dari PLN yang selama ini hanya digunakan sebagai sumber cadangan ketika generator utama tidak dapat digunakan.
Beban-beban yang terdapat pada PT. Pupuk Kujang umumnya berupa beban motor serta beban statis.
Gambar 1 di bawah merupakan gambar sistem kelistrikan PT. Pupuk Kujang pada ETAP yang digambarkan berdasarkan atas single line diagram serta data-data peralatan seperti generator, transformator dan motor yang ada.
Gambar 1. Hasil Pemodelan Sistem Kelistrikan PT. Pupuk Kujang dengan Menggunakan Software ETAP.
Gambar di atas dapat disederhanakan menjadi diagram seperti berikut ini:
Gambar 2. Gambar Sistem Kelistrikan PT. Pupuk Kujang secara sederhana.
III. LOAD SHEDDING
Ketika suatu sistem tenaga listikterkena gangguan yang dapat meyebabkan daya yang tersedia tidak dapat mencukupi kebutuhan beban, misalnya akibat lepasnya pembangkit, maka untuk menghindari sistem mengalami keadaan collapsed dibutuhkan pelepasan beban.
Pelepasan beban memerlukan pemasangan alat-alat yang dapat melindungi sistem secara cepat apabila terjadi perubahan frekuensi yang besar di dalam sistem. Oleh
merupakan skema pelepasan beban tiga langkah yang terdapat pada standar ANSI/IEEE C37.106-1987.
Tabel 1. Skema Pelepasan Beban Tiga Langkah.
Step Frequency Trip Point
(Hz)
Percent of Load Shedding (%)
Fixed Time Delay (Cycles)
on Relay
1 59.3 10 6
2 58.9 15 6
3 58.5 As required to arrest decline before 58.2
Hz
IV. SIMULASI DAN ANALISA 4.1 Studi Kasus Simulasi Stabilitas Transien
Parameter yang akan diamati dalam analisa stabilitas transien ini adalah:
Frekuensi bus sesaat dan setelah terjadi gangguan.
Tegangan di bus MCC-4, GI Kujang dan 00-MCC- 2 sesaat dan setelah terjadi gangguan.
Tabel 2. Studi Kasus Analisa Stabilitas Transien
Kasus Keterangan Kasus
1
TS1 PLN trip
TS1a PLN trip, Load Shedding 1 TS1b PLN trip, Load Shedding 1 dan 2
2
TS2 Generator G-GI7001 trip, PLN OFF TS2a Generator G-GI7001 trip, PLN OFF, Load Shedding 1
TS2b Generator G-GI7001 trip, PLN OFF, Load Shedding 1 dan 2
3
TS3 Generator 2006-J trip, PLN OFF TS3a Generator 2006-J trip, PLN OFF, Load Shedding 1
TS3b Generator 2006-J trip, PLN OFF, Load Shedding 1 dan 2
TS3c Generator 2006-J trip, PLN OFF, Load Shedding 1, 2 dan 3
4
MS Motor 2209-JCM Start, metode DOL MSa Motor 2209-JCM Start,
metode autotransformer (tap: 80%) MSb Motor 2209-JCM Start,
metode autotransformer (tap: 60%) MSc Motor 2209-JCM Start,
metode kapasitor (1100 kVAR) MSc Motor 2209-JCM Start,
metode kapasitor (5500 kVAR)
4.2. Simulasi Stabilitas Transien
Berikut akan dijelaskan mengenai hasil dari simulasi serta analisa telah dilakukan. Untuk kasus lepas pembangkit yang dijelaskan hanya merupakan kasus terburuk.
4.2.1. Studi Kasus TS3: Generator 2006-J Trip (t = 1 detik) saat PLN OFF
Saat sistem terintegrasi, namun sumber PLN tidak aktif, generator 2006-J dan G-GI7001 masing- masing akan mensuplai sebesar 9.4 MW dan 5.4 MW.
Gambar 3. Respon Frekuensi saat Studi Kasus TS3.
Pada Gambar 3 ditunjukkan frekuensi menurun secara signifikan selama 3 detik mulai dari detik ke 1 hingga detik ke 4 dan kemudian naik secara perlahan. Frekuensi terendah mencapai 86.802% dari frekuensi nominal.
Penurunan ini dapat mengganggu kinerja sistem. Untuk itulah diperlukan pelepasan beban agar frekuensi dapat meningkat sampai batas amannya.
4.2.1.1. Studi Kasus TS3a: Generator 2006-J Trip (t = 1 detik) saat PLN OFF, Load Shedding 1 (t =1.171 detik)
Gambar 4. Respon Frekuensi saat Studi Kasus TS3a.
Setelah dilakukan pelepasan beban tahap pertama sebesar 10% dari total beban keseluruhan, didapatkan frekuensi meningkat dari 86.802% menjadi 90.586% dengan nilai terendah sebesar 83.207%.
4.2.1.2. Studi Kasus TS3b: Generator 2006-J Trip (t = 1 detik) saat PLN OFF, Load Shedding 1 dan 2 (t = 1.201 detik)
Gambar 5. Respon Frekuensi saat Studi Kasus TS3b Setelah dilakukan pelepasan beban tahap kedua sebesar 15% dari total beban keseluruhan, frekuensi menunjukkan peningkatan dari 90.586% menjadi 96.775% dengan frekuensi terendah sebesar 88.377%. Walaupun telah dilakukan pelepasan beban tahap kedua, nilai frekuensi sistem masih belum memenuhi standar sehingga masih perlu dilakukan pelepasan beban tahap ketiga.
4.2.1.3. Studi Kasus TS3c: Generator 2006-J Trip (t=1 detik) saat PLN OFF, Load Shedding 1, 2 dan 3 (t = 1.205 detik)
Menurut standar ANSI/IEEE C37.106-1987 pelepasan beban tahap ketiga dilakukan saat frekuensi mencapai nilai 97.5%. Sedangkan jumlah beban yang dilepas tidak ditentukan besarannya namun sesuai dengan kebutuhan agar frekuensi tidak mencapai nilai minimal sebesar 97%. Pada kasus ini jumlah pelepasan beban yang dibutuhkan agar frekuensi minimal tidak kurang dari 97%
atau 48.5 Hz adalah sebesar 9.3 MW atau 63% dari total beban keseluruhan .
Gambar 6. Respon Frekuensi saat Studi Kasus TS3c.
Setelah dilakukan pelepasan beban tahap ketiga, frekuensi sistem mengalami peningkatan menjadi 100% dengan frekuensi minimal mencapai 97%. Dari hasil tersebut dapat dikatakan bahwa untuk kasus TS3 diperlukan tiga tahapan pelepasan beban agar sistem dapat kembali stabil.
4.2.2. Studi Kasus MS: Motor 2209-JCM START (t = 1 detik), Metode: DOL
Pada Gambar 7 dapat dilihat bahwa penyalaan motor dapat menyebabkan frekuensi sempat berosilasi selama beberapa saat, namun osilasi ini tidak mempengaruhi kestabilan sistem karena nilainya sangat kecil.
Gambar 7. Respon Frekuensi saat Studi Kasus MS.
Gambar 8. Respon Tegangan saat Studi Kasus MS.
Untuk respon tegangan, sempat terjadi penurunan tegangan selama ± 3 detik pada beberapa bus.
Penurunan tegangan yang paling rendah adalah pada bus MCC-4 dengan tegangan minimal sebesar 79.18% selama 0.2 detik dan 98.4% saat steady state, hal ini dikarenakan bus MCC-4 merupakan bus yang terhubung langsung dengan motor 2009-JCM.
Penurunan tegangan yang terjadi pada bus MCC- 4 masih memenuhi standar SEMI-F47 mengenai voltage sagging, dimana penurunan tegangan diantara 70% dan 80% diperbolehkan terjadi selama kurun waktu 0.5 detik.
4.2.2.1. Studi Kasus MSa: Motor 2209-JCM START(t = 1 detik), Metode: Autotransformer (tap: 80%)
Pada kasus MSa ini dilakukan simulasi penyalaan motor dengan menggunakan metode autotransformer. Tap transformator yang akan digunakan adalah 80% dengan switching off ketika slip mencapai 6%
atau ketika kecepatan ωs mencapai nilai 94%.
Gambar 9. Respon Tegangan Bus MCC-4 saat Penyalaan Motor Menggunakan Metode Autotransformer (tap: 80%).
Dengan menggunakan metode autotransformer penurunan tegangan bus MCC-4 saat dilakukan penyalaan motor dapat dikurangi dari 79.18% menjadi 85.57%
namun waktu penurunan menjadi ±5 detik, sedangkan untuk nilai tegangan steady state-nya tetap yaitu 98.4%.
4.2.2.2. Studi Kasus MSb: Motor 2209-JCM START(t = 1 detik), Metode: Autotransformer (tap: 60%)
Gambar 10. Respon Tegangan Bus MCC-4 saat Penyalaan Motor Menggunakan Metode Autotransformer (tap: 60%).
Gambar 10 menunjukkan bahwa dengan merubah tap transformator menjadi 60% membuat penurunan tegangan terendah di bus MCC-4 menjadi bernilai 91.26%, dengan tegangan steady state yang tetap yaitu 98.4%. Lama waktu voltage sagging yang terjadi menjadi lebih besar yaitu mencapai ±10 detik, namun nilai ini masih memenuhi standar SEMI-F47.
Dari kedua kasus MSa dan MSb dapat disimpulkan bahwa semakin kecil nilai tap transformator maka penurunan tegangan pada bus saat dilakukan penyalaan motor akan semakin berkurang, dan waktu voltage sagging akan semakin besar.
4.2.2.3. Studi Kasus MSc: Motor 2209-JCM START(t = 1 detik), Metode: Kapasitor (1100 kVAR)
Pada kasus MSc digunakan metode penyalaan dengan menggunakan kapasitor dengan kapasitas sebesar 1100 kVar yang dipasang pararel pada bus dimana motor 2209-JCM berada yaitu MCC-4. Pada kasus MSc ini switching off kapasitor dilakukan saat slip motor mencapai 6% atau ketika ωs mencapai nilai 94%.
Gambar 11. Respon Tegangan Bus MCC-4 saat Penyalaan Motor Menggunakan Metode Kapasitor (1100 kVAR).
Penambahan kapasitor 1100 kVAR pada bus motor saat dilakukan penyalaan motor dapat mengecilkan penurunan tegangan bus dari 79.18% menjadi 81% dengan lama waktu yang tetap seperti saat menggunakan metode DOL yaitu ±3 detik.
4.2.2.4. Studi Kasus MSd: Motor 2209-JCM START(t = 1 detik), Metode: Kapasitor (5500 kVAR)
Pada kasus MSd ini digunakan metode penyalaan dengan menggunakan kapasitor dengan sebesar 5500 kVAR yang dipasang secara pararale pada bus MCC-4.
Gambar 12. Respon Tegangan Bus MCC-4 saat Penyalaan Motor Menggunakan Metode Kapasitor (5500 kVAR).
Dari Gambar 12 di atas dapat kita lihat bahwa penambahan kapasitor 5500 kVAR dapat menyebabkan tegangan turun menjadi 89.4% saat motor dinyalakan dan mencapai nilai tertinggi sebesar 107% yaitu ketika kapasitor dilepas dari bus (saat slip motor mencapai 6%).
Berdasarkan hasil kasus MSc dan dan MSd dapat disimpulkan bahwa semakin besar kapasitas kapasitor yang dipasang akan menyebabkan penurunan tegangan bus saat penyalaan motor berkurang, namun waktu voltage sagging yang terjadi tidak berubah (sama seperti saat motor dinyalakan dengan metode DOL).
4.2.3. Studi Kasus HS: (t = 1 detik)
Gambar 13. Respon Frekuensi saat Studi Kasus HS.
Gambar 13 menunjukkan gangguan hubung singkat dapat menyebabkan frekuesi sistem berosilasi, antara 99.2% dan 100.3% dan sampai pada kondisi steady state pada frekuensi 100%.
Gambar 14. Respon Tegangan saat Studi Kasus HS. Tegangan pada bus MCC-4 mencapai nilai 61.46%, sedangkan untuk bus 00-MCC-2 bus GI Kujang masing-masing mencapai nilai 98.97% dan 99.7%.
Penurunan tegangan ini diakibatkan karena hubung singkat yang terjadi, membuat aliran arus menuju bus yang berada di sekitar gangguan meningkat, sehingga tegangan bus tersebut menjadi turun secara signifikan.
4.2.3.1. Studi Kasus HSa: (t = 1 detik), CB open (t = 1.1 detik)
Gambar 15. Respon Frekuensi saat Studi Kasus HSa.
Gambar 16. Respon Tegangan saat Studi Kasus HSa.
Gambar 15 dan 16 menunjukkan bahwa pembukaan CB pada titik hubung singkat terjadi membuat frekuensi sistem berosilasi namun masih dalam batas aman. Sedangkan untuk respon tegangan, menyebabkan terjadinya voltage sagging selama 0.121 detik dengan nilai terendah sebesar 56.67%. Voltage sagging ini masih memenuhi standar SEMI-F47 dimana voltage sagging yang bernilai antara 60% dan 70% diperbolehkan terjadi selama 0.2 detik.
V. PENUTUP
Dari hasil simulasi dan analisis, maka dalam tugas akhir ini dapat di tarik kesimpulan yang penting sebagai berikut:
1. Lepasnya catu daya dari PLN disaat sistem terintegrasi menyebabkan frekuensi sistem turun secara signifikan menjadi 98.19%. Sehingga dibutuhkan dua tahap operasi load shedding untuk mengembalikan frekuensi ke batas stabil.
2. Lepasnya generator GI-GI7001 disaat catu daya dari PLN dalam keadaan mati menyebabkan frekuensi sistem turun menjadi 98.165%
Sehingga dibutuhkan dua tahap operasi load shedding untuk mengembalikan frekuensi ke batas stabil.
3. Lepasnya generator terbesar yaitu 2006-J disaat catu daya dari PLN dalam keadaan mati menyebabkan frekuensi sistem turun secara signifikan menjadi 86.8%. Sehingga dibutuhkan tiga tahap operasi load shedding untuk mengembalikan frekuensi ke batas stabil.
4. Penyalaan motor berkapasitas 2000 HP dapat menyebabkan bus motor mengalami penurunan tegangan sampai 79.18%, akan tetapi tegangan ini masih dalam batas yang aman.
5. Penambahan peralatan starting berupa autotransformer atau kapasitor pada motor dapat mengurangi penurunan tegangan disaat motor dinyalakan, hingga sesuai dengan tegangan yang diinginkan.
6. Adanya gangguan hubung singkat dapat menyebabkan penurunan tegangan yang besar di
DAFTAR PUSTAKA
1. Stevenson, W.D., Jr, “Elements of Power System Analysis, 4th Edition”. McGraw-Hill, Inc, 1994.
2. Meier, A.v., “Electric Power System: A Conceptual Introduction”. John Wiley & Sons, Inc, Canada, 2006.
3. Bayliss, C., Hardy, B., “Transmision and Distribution Electrical Engineering”. Elsevier Ltd., India, 2007.
4. Wei-Jen Lee, “IEEE Recommended Practice for Industrial and Commerial Power System Analysis”.
The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. Ch. 8, 1988.
5. Saadat, H., “Power System Analysis”, McGraw-Hill, Inc, 1999.
6. Kundur, P., “Power System Stability and Control”, McGraw-Hill, Inc, 1994.
7. ANSI/IEEE C37.106-1987, “IEEE Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants”.
8. Peraturan Menteri Energi dan Sumber Daya Mineral Nomor: 03 Tahun 2007 tentang “Aturan Jaringan Sistem Tenaga Listrik Jawa-Madura-Bali”.
9. Pasific Gas and Electric Company, “Voltage Sag Immunity Standards SEMI-F47 and F42”, Power Quality Bulletin, 2007.
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Median Haryasepta P. lahir pada tanggal 16 September 1988 di Surabaya, Jawa Timur. Penulis menjalani pendidikan formalnya pada tahun 1995 di SDK Petra 09 Surabaya, penulis kemudian melanjutkan pendidikannya di SMPN 19 Surabaya pada tahun 2001, dan kemudian melanjutkan di SMAN 16 Surabaya pada tahun 2004 serta lulus pada tahun 2007, selama menempuh SMA penulis pernah mengikuti program pertukaran pelajar se- SMA Surabaya Jogjakarta dan sempat bersekolah di SMAN 11 Yogyakarta selama 2 minggu. Setelah tamat SMA pada tahun 2007, penulis kemudian diterima melalui jalur SPMB dan memilih untuk melanjutkan studinya di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, dengan mengambil bidang studi Teknik Sistem Tenaga.
Selama menjadi mahasiswa penulis pernah aktif dalam organisasi kepanitian LCEN, HCC, FGTA dan SITIA. Penulis kemudian aktif sebagai asisten praktikum di Laboratorium Konversi Energi B-101 yang merupakan salah satu laboratorium di bidang studi Teknik Sistem Tenaga.
