BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pesatnya perkembangan teknologi saat ini mengakibatkan hampir setiap alat bantu pekerjaan manusia membutuhkan energi listrik. Kebutuhan energi listrik terus meningkat dengan cepat, akan tetapi ekspansi serta pertumbuhan jumlah pembangkit dan saluran transmisi dibatasi dengan ketersediaan sumber daya dan masalah lingkungan. Pertumbuhan tersebut tentu berdampak positif namun pihak penyedia jasa listrik harus mampu menyuplai kebutuhan energi listrik tersebut. Secara umum jarak antara pusat pembangkit yang surplus daya dengan pusat-pusat beban yang mengalami defisit suplai daya listrik letaknya berjauhan. Energi listrik yang dikirimkan ke pusat-pusat beban melalui saluran transmisi memiliki kapasitas yang terbatas dan banyak menimbulkan permasalahan stabilitas sistem tenaga listrik. Oleh karena itu dinamika dan stabilitas menjadi isu penting dalam sistem tenaga listrik sat ini.
Stabilitas sistem tenaga listrik adalah kemampuan sistem tenaga yang memungkinkan mesin bergerak sinkron dalam sistem pada operasi normal dan dapat kembali ke keadaan seimbang setelah terjadi gangguan [1]. Stabilitas sistem tenaga terbagi menjadi dua bagian yaitu stabilitas sinyal rendah (small signal
stability) dan stabilitas peralihan (transient stability). Stabilitas sinyal rendah
merupakan kemampuan sistem untuk bertahan dalam kondisi sinkron saat terjadi gangguan kecil seperti perubahan pada beban sedangkan stabilitas transient merupakan kemampuan sistem untuk bertahan dalam kondisi sinkron saat terjadi perubahan seketika seperti gangguan hubung singkat atau penambahan dan pelepasan beban dalam jumlah besar sehingga menyebabkan kondisi kerja sistem berubah dari keadaan lama menjadi keadaan baru.
Generator serempak yang saling terhubung interkoneksi (multimesin) melalui pada saluran transmisi akan menyebabkan masalah stabilitas sinyal rendah berupa fenomena osilasi saat terjadi ketidakseimbangan sistem dan juga gangguan
[2]. Fenomena osilasi sangat bergantung pada keseimbangan torsi mekanik dan elektrik. Lebih lanjut, fenomena osilasi dikelompokkan kedalam dua mode yaitu lokal dan interarea. Osilasi pada mode lokal umumnya terjadi di salah satu unit mesin atau sebagian kecil sistem sedangkan mode interarea terjadi pada banyak mesin pada suatu bagian sistem dan berdampak pada mesin lainya yang terhubung interkoneksi [1, 3].
Seiring dengan perkembangan kemajuan komponen elektronika daya dan kontrol pada sistem tenaga listrik untuk kestabilan sistem tenaga listrik, maka diperlukan komponen yang mampu mengontrol dan mengkompensasi perubahan dimanis yang terjadi pada saluran transmisi. Pada sistem tenaga listrik modern saat ini peralatan FACTS (flexible alternating current transmission system) banyak digunakan untuk mengatasi keterbatasan sistem transmisi AC. Peralatan FACTS memiliki kemampuan membuat saluran transmisi AC lebih fleksibel dan dapat beradaptasi saat terjadi perubahan kondisi beban dan juga saat terjadi gangguan [4]. FACTS merupakan peralatan yang dibuat dari komponen elektronik daya solid
state dan kontroler statis yang dapat mengakomodasi perubahan yang terjadi pada
sistem transmisi listrik pada kondisi steady state atau margin transient. Karena tersusun dari komponen elektronika daya, maka FACTS mampu mengubah arah atau jalur daya listrik dalam waktu kurang dari satu siklus, jauh lebih cepat dibandingkan dengan peralatan mekanis. Peralatan FACTS dapat dikelompokkan menjadi dua generasi yaitu generasi pertama yang masih menggunakan thyristor konvensional, switch konvensional, dan reaktor serta generasi selanjutnya menggunakan gate turn-off (GTO). Generasi pertama terdiri dari SVC (static VAR
compensator), TCSC (thyristor controlled series capacitor), dan TCPS (thyristor controlled phase shifters). Generasi kedua terdiri dari STATCOM (static compensator), SSSC (static synchronous series compensator), dan UPFC (unified power flow controlled) [5].
Diantara jenis-jenis FACTS tersebut, UPFC (unified power flow controller) memiliki kemampuan lengkap dalam hal pengontrolan berbagai macam parameter seperti tegangan bus dan aliran daya pada saluran transmisi tenaga listrik [6-8].
Salah satu peran penting UPFC ialah peredaman osilasi dan perbaikan stabilitas sistem tenaga. Namun UPFC hanya mampu mengendalikan besaran-besaran tersebut pada satu saluran transmisi saja. Untuk mampu menangani lebih dari satu saluran dalam satu alat maka digunakan multi-line UPFC atau GUPFC (generalized
unified power flow controller) yang merupakan salah satu komponen FACTS
terbaru yang tersusun oleh multi-converter [9].
GUPFC secara umum digunakan untuk meningkatkan dan mengontrol aliran daya saat kondisi steady state. Fungsi selanjutnya dari GUPFC ialah peredaman osilasi saat terjadi gangguan. Respon yang cepat dalam peredaman osilasi mampu meningkatkan stabilitas sistem tenaga secara signifikan [10]. Kontrol tambahan GUPFC berupa POD (power oscillation damping) dan PSS (power system stabilizer) dapat digunakan untuk mengontrol parameter sistem transmisi. Koordinasi antara GUPFC, POD, dan PSS mampu meredam osilasi pada mode interarea secara efisien diikuti dengan waktu pemulihan sistem yang lebih cepat [10-12]. Namun, dengan penambahan peralatan FACTS berupa GUPFC beserta kontrol tambahan tersebut pada sistem tentu tidak boleh mengganggu kestabilan dinamis dan diharapkan mampu memberbaiki kondisi sistem setelah terjadi gangguan.
Peran peralatan FACTS untuk peredaman osilasi telah dilakukan pada model Phillips-Heffron untuk sistem dengan mesin tunggal atau SMIB (single
machine infinite bus) [13]. Integrasi peralatan FACTS pada sistem tenaga
multimesin (n-mesin) serta perancangan kontrol tambahan dilakukan agar didapat suatu model yang dapat menggambarkan kondisi sistem untuk studi stabilitas [14]. Pada operasi sistem tenaga, terjadinya gangguan dan perubahan beban secara tiba-tiba dapat menyebabkan osilasi frekuensi rendah. Responsibilitas pada saluran transmisi untuk meredam fenomena osilasi sangatlah penting. Jika osilasi tidak segera diredam, maka gangguan akan berpotensi berkembang luas hingga menyebabkan generator lepas sinkronisasi. Dampak lepasnya generator dari sistem akan berdampak pada pemadaman listrik yang berakibat multidimensi. Salah satu
kerugian yang dapat ditimbulkan pada sektor industri ialah kerugian materi hingga milyaran rupiah per jam akibat terhentinya proses produksi [15].
Peran basis kontrol tambahan berupa POD pada peralatan FACTS sangatlah vital bagi sistem tenaga yang terhubung interkoneksi untuk menghadapi perubahan pada sistem. Desain kendali POD menjadi hal penting dan perlu diperhatikan agar didapat peredaman yang optimal [16]. Upaya peredaman osilasi sistem akibat gangguan yang terjadi juga dapat dilakukan melalui sinyal kendali tambahan lainya berupa PSS. PSS dapat meningkatkan peredaman osilasi dengan memasukkan sinyal tambahan ke pengendali eksitasi yang ada pada generator [17].
Dengan terhubungnya sistem tenaga secara interkoneksi maka sistem tenaga listrik modern tidak terbatas hanya menggunakan informasi lokal sinyal input saja, akan tetapi sangat dimungkinkan untuk memanfaatkan sinyal secara global sebagai multi input kendali. Dalam upaya peredaman osilasi, PSS konvensional atau dapat disebut PSS lokal (PSSL) pada umumnya menggunakan sinyal input lokal dimana hanya efektif meredam osilasi pada mode lokal saja sehingga efektivitas peredaman pada mode inter-area sangatlah terbatas. Peredaman osilasi pada mode inter-area akan lebih efektif dan terfokus bila menggunakan PSS dengan sinyal input global atau dapat disebut global PSS (GPSS) [18]. Sinyal berupa perbedaan kecepatan deviasi antar generator akan dikirimkan sebagai masukan PSS dan POD. Hasil penelitian menunjukkan skema peredaman osilasi menggunakan sinyal global mampu meredam fenomena osilasi inter-area secara signifikan [18-20].
Pada umumnya parameter kendali dihitung secara konvensional [21]. Akan tetapi, proses perhitungan parameter optimal memiliki beberapa kelemahan seperti beban komputasi yang tinggi dan waktu komputasi yang cukup lama. Beberapa metode pengendalian telah banyak digunakan seperti PID (propotional integral
differential), fuzzy logic, linear optimal control (LOC) dan lead-lag [22-24].
Penggunaan lead-lag untuk pengontrolan PSS memberikan hasil yang paling baik dibanding metode lainya. Saat ini penggunaan metode heuristik untuk optimasi parameter telah banyak dilakukan pada kendali lead-lag [25-27]. Dengan
menggunakan kendali lead-lag yang parameternya dioptimasi mampu meningkatkan kehandalan dari sistem tenaga.
Genetic Algorithm (GA) merupakan suatu metode metaheuristik yang
terinspirasi dari teori seleksi Charles Darwin. Metode GA diciptakan oleh John Holland yang kemudian dikembangkan oleh De Jong dan Goldberg. Metode GA melakukan optimasi dengan mengkodekan permasalahan kedalam kromosom dimana nilai parameter diinisialisasi, seleksi, reproduksi, dan kemudian terminasi pada suatu kondisi atau solusi memenuhi kriteria minimumnya. Dalam penelitian ini parameter kendali GUPFC dari POD dan PSS dioptimasi menggunakan metode GA.
Berbagai gejala dari sistem tenaga yang dinamis dapat direpresentasikan kedalam analisa state space. Kestabilan sistem tenaga yang non linear dari gangguan yang diberikan ditunjukkan oleh eigen dari karakteristik matriks sistem tenaga yang lengkap. Pemilihan parameter kendali diformulasikan kedalam permasalahan optimisasi dengan fungsi objektif yang merelasikan parameter pengendali terhadap nilai index yang dikehendaki. Formulasi fungsi objektif berbasis analisis modal digunakan untuk menggeser komponen real eigenvalue sistem menuju ke kiri sumbu imajiner, mengimprovisasi nilai damping ratio, dan meminimalkan overshoot yang terjadi dengan memperkecil komponen imajiner
eigenvalue. Sistem dikatakan stabil jika eigenvalue bernilai negatif dan jika ada
salah satu bernilai positif maka sistem dikatakan tidak stabil [28].
Dalam penelitian ini akan dilakukan studi dinamika dan stabilitas melalui simulasi model dinamis sitem tenaga multimesin yang terpasang GUPFC dan dilengkapi dengan kendali POD dan PSS berbasis lead-lag yang akan dioptimasi menggunakan metode metaheuristik berupa GA. Sinyal global berupa deviasi kecepatan sudut antar generator digunakan sebagai input kendali untuk POD dan PSS. Simulasi akan dilakukan pada model Phillips-Heffron sehingga dapat diketahui karakteristik peredaman osilasi pada sistem tenaga multimesin.
1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan sebelumnya diketahui bahwa peredaman osilasi interarea suatu sistem tenaga yang terhubung interkoneksi dapat memanfaatkan perangkat FACTS berupa GUPFC. Salah satu cara untuk meningkatkan kestabilan sistem adalah dengan penambahan kendali POD dan PSS. Kendali POD dan PSS dirancang menggunakan lead-lag yang selanjutnya dioptimasi dengan metode GA. Permasalahan utama yang diangkat dalam penelitian ini yaitu bagaimana memanfaatkan sinyal lokal dan global dari deviasi kecepatan rotor generator sebagai masukan dari peralatan GUPFC yang terintegrasi kendali POD serta PSS yang terpasang pada setiap mesin dalam upaya peredaman osilasi interarea pada sistem tenaga multimesin.
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut. 1. Peralatan FACTS yang digunakan adalah GUPFC.
2. Pengujian dilakukan pada model sistem multimesin Phillips-Heffron sebelum dan sesudah terpasang peralatan FACTS serta pengendalinya. 3. PSS terpasang disetiap mesin sedangkan POD terpasang pada mesin 1
saja.
4. Sinyal global yang digunakan merupakan deviasi kecepatan rotor antar dua generator.
5. Penalaan parameter kendali dioptimasi menggunakan metode Genetic
Algorithm (GA).
6. Analisis transien pada pemasangan peralatan GUPFC tidak diikutsertakan.
1.4 Keaslian Penelitian
Penelitian mengenai peran peralatan FACTS dalam upaya peredaman osilasi telah banyak dilakukan oleh para peneliti [29-32]. Peredaman osilasi
menjadi isu penting dalam studi dinamika dan stabilitas karena berhubungan langsung dengan banyak mesin pada suatu area terhadap area lainya [33, 34]. Studi mengenai peranan peralatan FACTS kini tidak lagi terbatas pada SMIB (single
machine infinite bus) saja dikarenakan kompleksitas dari jumlah mesin pada suatu
sistem, maka permasalahan stabilitas dapat dipandang dari model dinamis sistem tenaga multimesin (n-mesin) [14, 30].
Wang et al meneliti kontribusi peralatan FACTS berupa static var
compensator (SVC), controllable series compensator (CSC), dan phase shifter (PS)
dalam upaya peredaman torsi pada sistem bermesin tunggal (SMIB) [13]. Selanjutnya peneliti tersebut mengembangkan penelitian mengenai kontribusi perlatan FACTS kedalam sistem bermesin jamak atau multimesin. Hasil penelitian menunjukan peralatan FACTS berbasis stabilizer mampu memperbaiki kestabilan sistem tenaga [14]. Lebih lanjut peneliti mencoba menginvestigasi perlatan FACTS berupa UPFC kedalam model dinamis sistem tenaga multimesin. Koordinasi UPFC dan kontrol tambahan berupa PSS berinteraksi negatif di DC link capacitor. Fungsi peredaman memberikan hasil yang sangat baik setelah dilakukan pengesetan ulang dibandingkan dengan SVC, TCSC, dan TCPS pada penelitan sebelumnya [30].
Salah satu peralatan FACTS yang dapat diintegrasikan pada sistem tenaga multimesin ialah GUPFC. Beberapa peneliti telah melakukan pemodelan GUPFC pada sistem tenaga multimesin berdasarkan model UPFC melalui penambahan
boosting transformer secara seri pada saluran transmisi [10, 11]. Model dinamis
Phillips-Heffron 3-mesin 4-bus dimodifikasi sehingga didapat model yang lengkap berbentuk multi input multi output (MIMO). Metode optimasi yang digunakan berupa genetic algorithm (GA) untuk mencari nilai parameter berupa gain dan time
constant POD PSS. Variabel yang diamati dalam penelitian tersebut ialah sudut
rotor, perubahan ayunan rotor, dan daya elektrik pada generator melalui gangguan kenaikan daya. Hasil penelitian menunjukkan penambahan kontrol tambahan berupa POD dan PSS mampu berkoordinasi dengan baik serta berpotensi meningkatkan stabilitas sistem dalam upaya peredaman osilasi yang ditunjukkan dengan berkurangnya nilai overshoot dan lebih pendeknya waktu pulih sistem
(settling time) setelah terjadi gangguan. Pada penelitian ini POD berperan lebih dominan dibanding PSS dalam hal peredaman namun koordinasi kedua kontrol tambahan tersebut menunjukkan interaksi yang positif.
Lin [35] melakukan investigasi dua perlatan FACTS berupa UPFC dan GUPFC kedalam sistem tenaga China’s Sichuan. Dalam studi tersebut digunakan kontroler PI untuk mendapatkan parameter kontol agar didapatkan kondisi operasi sistem yang stabil. Hasil penelitian menunjukkan tanpa menggunakan peralatan FACTS maka sistem tenaga China’s Sichuan akan mengalami ketidakstabilan akibat gangguan. Sedangkan GUPFC memberikan kinerja yang lebih baik dibandingkan dengan UPFC dimana GUPFC dapat meningkatkan kestabilan sistem yang saling terhubung interkoneksi serta relativitas sudut rotor yang lebih rendah.
Masgumelar [36] memanfaatkan salah satu fungsi utama GUPFC yaitu memperbaiki stabilitas transient dengan respon yang sangat cepat. Penelitian ini mempresentasikan penerapan model nonlinear dinamis suatu sistem multimesin yang terpasang GUPFC melalui model linearisasi Phillips-Heffron. Kenaikan daya elektrik berupa gangguan kecil dan gangguan besar diberikan untuk mendapatkan karakteristik sistem tersebut. Hasil penelitian menunjukkan bahwa GUPFC dengan POD dan PSS mampu meredam osilasi pada sudut rotor, perubahan posisi sudut, dan perbaikan daya elektrik. Lebih lanjut hasil penelitian menunjukkan bahwa pemasangan GUPFC denga kendali POD dan PSS tanpa pengesetan ulang (readjusment) dapat berinteraksi negatif dan membuat sistem tidak stabil.
Pengontrolan parameter PSS untuk mendapatkan parameter kendali yang optimal dapat dilakukan dengan berbagai metode. Abniki et al [22] menggunakan teknik linear optimal control (LOC) pada PSS dalam suatu sistem tenaga multimesin. Hassan et al [23] juga mengusulkan penggunaan fuzzy logic untuk mencari besar parameter PSS. Jaleel [24] dalam penelitianya mencoba mengkomparasi empat macam kendali PSS yaitu PI, PD, PID, dan lead-lag. Hasil penelitan menunjukkan bahwa kendali lead-lag yang dioptimasi memberikan hasil yang paling baik melalui pengamatan pada deviasi kecepatan rotor, deviasi sudut daya, serta deviasi tegangan terminal. Beberapa penelitian menunjukkan kontribusi
PSS POD menggunakan teknik pengontrolna lead-lag memberikan hasil yang sangat baik dalam peredaman osilasi pada sistem tenaga [12, 25, 26, 33, 34, 37].
Upaya peredaman osilasi electromechanical penelitian-penelitian sebelumnya untuk sistem tenaga yang saling terhubung interkoneksi pada umumnya menggunakan sinyal lokal kecepatan rotor [10-12, 14, 26, 30, 36]. Osilasi sistem tenaga pada suatu area yang saling terhubung interkoneksi akan mempengaruhi area lainya sehingga osilasi yang terjadi akan berdampak luas. Sinyal global deviasi kecepatan rotor generator tetangga dapat digunakan sebagai sinyal input bagi POD dan PSS [19]. Hasil penelitian menunjukkan dengan dua level PSS akan sangat efektif meredam osilasi pada mode lokal maupun interarea.
Parameter-parameter pada kendali lead-lag berupa gain (𝐾𝑃𝑆𝑆 dan 𝐾𝑃𝑂𝐷) serta konstanta waktu 𝑇1, 𝑇2, 𝑇3 dan 𝑇4 dapat dicari menggunakan metode metaheuristik. Dalam studi stabilitas, berbagai macam algoritma telah digunakan untuk penalaan parameter kendali yang optimal untuk meningkatkan kestabilan sistem seperti Particle Swarm Optimization (PSO), Flower Pollination (FP),
Bacterial Foraging Algorithm (BFA), Bat Algorithm (BA), dan Genetic Algorithm
(GA) [10-12, 24-27, 36-38]. GA merupakan salah satu metode metaheuristik multi objektif dan dapat digunakan untuk penalaan parameter kendali POD dan PSS.
Dalam penelitian ini akan digunakan salah satu jenis FACTS terbaru yaitu GUPFC yang dilengkapi POD dan PSS dalam upaya peredaman osilasi interarea serta peningkatan kestabilan sistem tenaga multimesin. Kendali lead-lag akan digunakan sebagai pengontrol pada POD dan PSS yang kemudian masing-masing parameternya dioptimasi menggunakan metode GA. Penggunaan sinyal global bagi kendali GUPFC serta pemasangan PSS pada setiap mesin diharapkan mampu secara efektif meredam osilasi pada mode interarea.
1.5 Tujuan Penelitian
1. Membangun model dinamis sistem tenaga multimesin yang telah dilengkapi dengan peralatan FACTS berupa GUPFC dengan kendali POD dan PSS.
2. Menginvestigasi pengaruh pemasangan GUPFC dengan kendali POD dan PSS menggunakan optimasi GA pada sistem tenaga multimesin dalam upaya peredaman osilasi interarea.
3. Menginvestigasi dampak penggunaan sinyal lokal maupun global sebagai input bagi GUPFC dalam upaya peredaman osilasi pada suatu generator yang terhubung interkoneksi dengan generator lainya (n-mesin).
4. Menginvestigasi dampak pemasangan PSS pada setiap mesin yang terhubung interkoneksi dalam upaya peredaman osilasi interarea. 1.6 Manfaat Penelitian
Setelah didapatkan hasil penelitian mengenai pengaruh pemasangan GUPFC dan penambahan kendali POD dan PSS pada sistem tenaga multimesin, maka diharapkan akan diperoleh manfaat sebagai berikut.
1. Memberikan gambaran dan tambahan wawasan mengenai masalah yang terjadi pada sistem tenaga listrik multimesin.
2. Mengetahui karakteristik peralatan FACTS berupa GUPFC serta kendali POD dan PSS pada kestabilan sistem tenaga dan dampak perubahan parameter yang dilakukan.
3. Mendapatkan karakteristik sinyal input yang tepat bagi sistem tenaga multimesin yang telah terintegrasi GUPFC dengan kendali PSS dan POD.
4. Mengetahui seberapa baik sinyal global yang digunakan oleh POD dan PSS meredam osilasi saat terjadi gangguan.
5. Mengetahui dampak pemasangan PSS pada setiap mesin sebagai sinyal multiinput bagi GUPFC.
