PROSIDING 20 11© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
UNIFIED POWER FLOW CONTROLLER
(UPFC):
KONSEP DAN MODEL DALAM KAJIAN TEORITIS
Indra Jaya Mansyur
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea - Makassar, 90245
Telp./Fax: (0411) 588111 e-mail: indrajaya_m@yahoo.co.id
Abstract
This paper presents a theoretical study of the concept and model of UPFC, UPFC is one of the inverter-based electronic control equipment, versatile and flexible working, controlling active and reactive power flow on transmission lines simultaneously, through control of the transmission network parameters, namely voltage, impedance and the phase angle on the transmission line. UPFC consists of two sourced Voltage Converters (VSC), which connect to each other via the Common DC Link Capacitor. Each converter is connected to the system via coupling transformers, where the converter 1 is connected in parallel with the transmission line via a shunt transformer (Boosting Transformer) and is known as STATCOM (Static synchronous compensator), while the converter 2 connected in series with the transmission line through a series transformer (Exciting Transformer) and known as the SSSC (static synchronous series compensator).
Keywords: Unified Power Flow Controller, Source Voltage Converter (SVC), Compensator seri dan shunt, phase shifter
PENDAHULUAN
Kemajuan teknologi di bidang semikonduktor yang sangat pesat, memberikan sumbangan yang luar biasa terhadap perkembangan system control tenaga listrik saat ini, dimana performance system tenaga listrik, dapat dikontrol tanpa harus melakukan reschedule pembangkitan maupun perubahan topologi jaringan, dengan menggunakan peralatan solid state yang dikenal dengan Flexible Alternating Current Transmission System Devices (FACTS Devices).
FACTS Device merupakan peralatan control modern berbasis semiconduktor, berfungsi serba guna dan flexible pada jaringan transmisi ac (alternating current). Penggunaan FACTS Devices ini telah diuji, dapat memperbaiki performance system tenaga listrik, baik dalam keadaan steady state maupun transient, yang meliputi control aliran daya dan tegangan, peningkatan pembebanan pada saluran transmisi, perbaikan dalam pengiriman daya (Available transfer capability), meredam osilasi, dan perbaikan stabilitas transien.
Unified Power Flow Controller (UPFC) sebagai keluarga dari FACTS Devices, merupakan salah satu peralatan control elektronik berbasis inverter, berfungsi mengontrol aliran daya aktif dan reaktif secara simultan pada jaringan transmisi, dengan mengontrol parameter jaringan transmisi berupa; tegangan, impedansi dan sudut fasa. Untuk itu pemasangan sebuah UPFC identik dengan pemasangan peralatan Thyristor Controlled Series Capasitor (TCSC), Static Condensor (STATCON) dan Thyristor Controlled Phase Angle Regulator (TCPR) secara bersamaan.
TINJAUAN PUSTAKA
Struktur dasar UPFC
Konsep UPFC pertama kali dikemukakan oleh Gyugyi tahun 1991. 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
Unified Power Flow Controller
… Indra Jaya Mansyur
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
transformer (Exciting Transformer) dan dikenal sebagai SSSC (Static synchronous series compensator. Lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 1 (Noroozian, M., Angquist, L., Ghandhari, M., Anderson, G,1997).
Gambar 1. Rangkaian Dasar dari UPFC
VSC merupakan peralatan semikonduktor jenis fully controlled, misalnya IGBT (Insulated gate bipolar transistor) dan thyristor GTO (Gate turn off). Walaupun IGBT merupakan peralatan switching yang lebih cepat dari GTO, namun karena frekwensi switching dan orde harmonicnya lebih tinggi, maka UPFC dengan GTO menjadi lebih baik dari pada IGB, dilihat dari harga, berat, volume dan noise yang ditimbulkan dan pada GTO dapat pula di turn off dengan menerapkan signal gerbang negative.
Konsep dasar control daya pada jaringan transmisi
Transfer daya listrik pada jaringan transmisi ac dari bus A ke bus B sebagaimana pada gambar 2, merupakan fungsi dari rektansi jaringan (X), besar tegangan pengirim dan penerima dan sudut phasa diantara kedua tegangan δ, dirumuskan sebagai berikut:
Gambar 2. Diagram satu garis dari line transmisi sederhana
1 Cosδ
X V V Q dan S inδ X V V P A B AB B A AB (1)Dari persamaan (1), aliran daya pada jaringan transmisi dapat dikontrol dalam beberapa cara dengan menyisipkan sumber tegangan seri (Vseri) pada jaringan transmisi, yaitu:
Control tegangan
Gambar 3. Diagram control tegangan transmisi
Pada gambar 3, memperlihatkan diagram control tegangan jaringn dengan tegangan sisipan seri (Vseri). Jika Vseri sephasa dengan tegangan pengirim VA, maka Vseri = ΔVA, dan jika VA = VB, maka aliran daya aktif dan reaktif menjadi:
PROSIDING 20 11© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
A 2 AB 2 AB V ΔV S : Dengan Cosδ -S 1 S 1 X V Q dan S inδ X V S ) (1 P A (2)Menurut Belacheheb.K, Saadate.S (2000), jika VSeri diinjeksikan kedalam system, maka aliran daya aktif akan
meningkat dengan meningkatnya tegangan pengirim, namun tidak pernah melampaui 10% dari besar aliran daya semula (Smax = 10%), sedangkan sirkulasi daya reaktif akibat regulasi tegangan, untuk nilai sudut elektris tertentu (00-400) justru dapat menjadi dua kali lipat.
Control Impedansi line
Gambar 4. Diagram control impedansi line
Jika Vseri sebagaimana gambar 4, diinjeksikan kedalam system dalam bentuk reaktansi eqivalen yaitu Vseries = - jkXI (dalam hal ini VSeri tegak lurus terhadap arus line), dengan “k” adalah koefisien kompensasi yang dapat
bernilai positif atau negative (-1< k <1). Untuk k negative (-1<k<0), VSeri berprilaku sebagai induktor seri,
yang akan memperbesar reaktansi jaringan dan menurunkan besar aliran daya, sedangkan untuk k (0 < k < 1),
VSeri berprilaku sebagai capasitor seri, yang akan memperkecil rekatansi jaringan, yang dirumuskan dengan:
Xline = X – XC = X (1-k) (3)
Maka aliran daya pada line transmisi sebagai fungsi dari k, dirumuskan sebagai berikut:
2 2 AB 2 AB k 1 k 1 Cosδ -1 X V Q dan Sinδ k) -1 X V P (4) Menurut Belacheheb K. Saadate S (2000), untuk sudut elektris yang sama, daya aktif line bervariasi sebagai fungsi dari koefisien kompensasi k, dimana untuk nilai k = 0.2, aliran daya aktif bertambah sebesar 25%, dan mencapai 67% untuk k = 0.4, sedangkan daya reaktif juga bervariasi ketika kompensator seri mengontrol impedansi line.Adapun ratio daya reaktif line tanpa kompensator dan dengan kompensator seri dapat ditulis menjadi:
2 0 l i n e k) (1 k 1 Q Q (5)
Dari persamaan (6), memperlihatkan bahwa ratio akan bertambah dengan cepat dengan betambahnya nilai k. Control sudut elektris
Unified Power Flow Controller
… Indra Jaya Mansyur
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
Pada gambar 5, dengan membuat tegangan bus A sama dengan tegangan VC, maka besar dan sudut phasa VSeri
dapat diperoleh. Adapun tegangan injeksi VSeri dapat dihitung sebagai berikut:
A C A i i i i series S in V V Dengan j V V 2 ) ( ) 2 / ( 2 ) exp ( (6)
Adapun transfer daya aktif dan reaktif antara A dan B adalah:
α)) Cos(δ -(1 X V Q dan α) S in(δ X V P AB 2 AB AB 2 AB (7)
Sudut (δ + α) diperlakukan sebagai sudut phasa efektif antara tegangan pengirim dan penerima.
Model dan Prinsip Operasi UPFC
Gambar 6. Rangkaian eqivalen dari UPFC
Rangkaian eqivalen dari UPFC, diperlihatkan pada gambar 6. 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.
Dengan melepaskan VSC yang terhubung seri (Vse), maka dapat dipahami operasi VSC yang terhubung Shunt (Vsh). Jika magnitude Vsh lebih besar dari tegangan mid point VM dan sudut fase keduanya sama, maka daya reaktif akan mengalir dari sumber tegangan shunt Vsh menuju bus M. Jika sudut fase Vsh mendahului sudut fasa tegangan mid point VM, dan magnitude Vsh lebih besar dari VM, maka daya nyata dan reaktif akan mengalir dari sumber tegangan Vsh menuju bus M. Sebaliknya, jika magnitude dari Vsh kurang dari VM, namun perbedaan sudut fase antara keduanya adalah nol, maka hanya daya reaktif yang akan mengalir dari bus M ke bus P. Dalam proses ini, sumber tegangan Vsh mengkonsumsi daya reaktif. Jika sudut fase VM mendahului sudut fase Vsh, dan magnitude VM lebih besar dari Vsh, maka daya nyata dan reaktif akan mengalir dari bus M ke bus P. Dalam keadaan ini VSC dikatakan mengkonsumsi daya nyata dan reaktif.
Sebagai kesimpulan, dengan mengontrol amplitude dan sudut fase dari sumber tegangan shunt Vsh. maka arah aliran daya nyata dan reaktif ke bus M dapat dikendalikan. Keadaan ini menunjukkan bahwa sumber tegangan Vsh dapat berfungsi sebagai beban atau sebagai generator pada sebuah system tenaga listrik.
Jika perbedaan sudut fasa antara sumber tegangan Vsh dan tegangan pada bus M dipertahankan pada nilai nol, kemudian dengan merubah-rubah besar Vsh, maka daya reaktif dapat dikomsumsi atau dibangkitkan oleh Vsh, keadaan operasi ini dapat dibandingkan dengan reaktor pengendali thyristor dengan kapasitor shunt yang tetap
PROSIDING 20 11© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
(Kompensator shunt) yang membangkitkan atau menyerap daya reaktif dengan mengubah impedansi reaktif shunt nya. Hal ini menunjukan bahwa fungsi dari kompensator shunt diduplikasi oleh sumber tegangan Vsh Untuk keadaan dimana Vse terhubung ke system, dengan sumber tegangan shunt Vsh dalam keadaan tidak operasi. Dan diasumsikan bahwa magnitude dan sudut fasa sumber tegangan seri Vse dapat bervariasi. Maka arus line transmisi Ise berinteraksi dengan sumber tegangan seri Vse yang menyebabkan daya nyata dan reaktif dapat saling dipertukarkan antara sumber tegangan seri dan line transmisi.
Jika sumber tegangan Vse, dan arus line transmisi Ise, memiliki perbedaan sudut fase 900 dan fasor tegangan Vse mendahului arus line, maka sumber tegangan seri Vse hanya membangkitkan daya reaktif. Diagram fasor ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar 7. Hubungan Phasor antara sumber tegangan Vse dan arus jaringan Ise
Sebaliknya, jika phasor tegangan sumber Vse terbelakang dari phasor arus line transmisi dengan 90 derajat, maka tegangan sumber Vse akan mengkonsumsi daya reaktif. Operasi diatas dapat dibandingkan dengan Kapasitor seri / induktor seri pada line transmisi. Ketika kapasitor ditempatkan secara seri dengan saluran transmisi, maka ia akan membangkitkan daya reaktif. Jumlah daya reaktif yang dibangkitkan tergantung pada besar kompensasi seri dan arus line. Ketika induktor ditempatkan dalam seri dengan line transmisi, maka ia akan mengkonsumsi daya reaktif. Sebagai kesimpulan, bahwa fungsi kapasitor seri diduplikasi oleh sumber tegangan seri Vse, dengan mempertahankan fasanya mendahului phasor arus line transmisi Ise sebesar 90 derajat. Sebaliknya fungsi dari induktor seri diduplikasi oleh sumber tegangan seri Vse, dengan mengatur sudut fasanya terbelakang 90 derajat terhadap phasor arus line transmisi.
Dengan mengatur sudut fase dari sumber tegangan seri Vse yang tepat, maka dapat diperoleh operasi dari phase shifter. Dalam kasus phase shifter ini, sudut fasa dari sumber tegangan seri Vse mendahului atau tertinggal dari tegangan bus dengan besar sudut 90 derajat. Hal ini menyebabkan fasor tegangan bergeser dengan besaran yang bergantung pada magnetudo dari tegangan injeksi. Dalam hal ini, jika sumber tegangan seri Vse mempunyai phasa mendahului atau tertinggal 90 derajat dari tegangan bus VM, maka pergeseran phasa ( ) dapat ditentukan. Gambar 8. menunjukkan hubungan fasor sumber tegangan seri V
se yang mendahului tegangan bus VM, untuk operasi fase shifter.
Gambar 8. Hubungan fasor antara sumber tegangan seri Vse dan tegangan bus VM
untuk operasi fase shifter.
Sebagai kesimpulan, bahwa dengan mengatur sudut fase pada sumber tegangan seri Vse baik mendahului atau terbelakang 90 derajat dari tegangan bus VM, maka diperoleh operasi phase shifter. Untuk pergeseran fasa yang bervariasi, besarnya sumber tegaangan seri Vse, dapat pula bervariasi. Ilustrasi diatas menunjukkan bahwa
Unified Power Flow Controller
… Indra Jaya Mansyur
Arsitektur
Elektro
Geologi
Mesin
Perkapalan
Sipil
fungsi kompensasi shunt, kompensasi seri dan kompensasi sudut fase dapat diperoleh dengan memanipulasi besar sumber tegangan seri dan shunt dan sudut fasa UPFC
SIMPULAN
Unified power flow controller (UPFC) sebagai peralatan control aliran daya berbasis elektronik, selain berfungsi serba guna (dapat mengontrol aliran daya aktif dan reaktif secara bersamaan), juga flexible (dapat dipindahkan dari satu jaringan transmisi ke jaringan transmisi yang lain), dan lebih cepat dalam merespons perubahan daya dibandingkan dengan control dengan cara konvensional. UPFC hingga saat ini belum diterapkan di Indonesia, namun telah diterapkan di beberapa negara maju.
DAFTAR PUSTAKA
Belacheheb,K., Saadate,S. 2000. Compensation of the Electrical Mains by Means of Unified Power Flow Controller (UPFC) – Comparison of Three Control Methods. Green-UHP CNRS UPRES – A 7037 Esquivel, F.CR., Acha, E. 1997. A Newton Type Algorithm for the Control of Power flow in Electrical Power
Networks. IEEE Trans. N Power Syatems, Vol. 12, No. 4, November 1997
Kalyani,T.S., Das T.G. 2008. Simulation of Real and Reactive Power Flow Control with UPFC Connected to a Transmission Line. Journal of Theoretical and Applied Information Technology
K.K.Sen., Stacey,E.J. 1998. UPFC- Unified Power Flow Controlled: Theory, Modeling, and Application. IEEE Trans. on Power Delivery, Vol.13, No. 4, October 1998
Keri,A.J.F., at.al. 1999. Unified Power Flow Controller (UPFC): Modeling and Analysis. IEEE Trans. .on Power Delivery, Vol. 14, No. 2, April 1999
M.E. Samina, Nema,R.K., A. Gayatri. 2008. Power Flow Control with UPFC in Power Transmission System. Word Academic of Science, Engineering and Technology
R.Nelson. 1994. Transmission Power Flow Controlled. IEEE Transaction on Power Delivery, April 1994 Sadikovic, Rusejla. 2003. Power flow Control with UPFC. Internal Report
