See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/341642333
MATLAB/SIMULINK UNTUK STUDI PENGENDALIAN DAYA REAKTIF DAN TEGANGAN PADA SISTEM TENAGA LISTRIK DENGAN AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR (AVR)
Article · May 2020
CITATION
1
READS
2,380 2 authors, including:
Toto Sukisno
Universitas Negeri Yogyakarta 28PUBLICATIONS 19CITATIONS
SEE PROFILE
MATLAB/SIMULINK UNTUK STUDI PENGENDALIAN DAYA REAKTIF DAN TEGANGAN PADA SISTEM TENAGA LISTRIK
DENGAN AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR (AVR)
Toto Sukisno; H. Sunyoto Abstrak
Tulisan ini menyajikan tentang pemakaian software Matlab/simulink untuk melakukan studi pengendalian daya reaktif dan tegangan dengan menggunakan pengatur tegangan otomatis (AVR) pada sistem tenaga listrik.
Pengatur tegangan otomatis merupakan salah satu piranti pada pengendali sistem eksitasi yang berfungsi mempertahankan tegangan keluaran generator pada nilai tertentu guna mengendalikan daya reaktif pada sistem.
Model AVR pada generator akan menentukan waktu pencapaian daerah kestabilan.
Berdasarkan hasil studi yang telah dilaksanakan dapat diketahui bahwa model AVR sederhana membutuhkan waktu yang lebih lama dalam mencapai daerah kestabilan dibandingkan dengan model AVR yang lainnya, sedangkan model AVR yang memasukkan AGC membutuhkan waktu paling pendek dalam mencapai daerah kestabilan. Waktu yang dibutuhkan dalam mencapai daerah kestabilan sangat berpengaruh terhadap besar kecilnya daya reaktif pada sistem.
Kata kunci: Pengendalian daya reaktif dan tegangan, AVR, Matlab/simulink, sistem eksitasi.
Pendahuluan
Perkembangan yang pesat dalam bidang ketenagalistrikan sebagai akibat dari tuntutan konsumen (demand) yang semakin meningkat menimbulkan konsekwensi tersendiri bagi penyedia jasa ketenagalistrikan. Salah satu dampak yang muncul seiring dengan eskalasi permintaan tersebut adalah meluasnya topologi jaringan yang berakibat pada semakin jauhnya pusat-pusat pembangkit dengan beban, hal ini dikarenakan kondisi sistem kelistrikan di Indonesia yang tergolong sangat unik tersebar di kepulauan yang beragam dengan sekitar 1300 pusat pembangkit. Pengoperasian yang demikian akan mengakibatkan daya reaktif dan drop tegangan generator semakin membesar.
Salah satu piranti yang digunakan untuk mengendalikan daya reaktif dan tegangan pada generator adalah pengendali eksitasi dengan pengatur tegangan otomatis (AVR). Fungsi AVR ini untuk mempertahankan nilai tegangan keluaran
generator sinkron pada tingkat tertentu. Diagram skema dari AVR sederhana ditunjukkan pada gambar 1.
Berdasarkan gambar tersebut dapat diamati, bahwa kenaikan daya reaktif beban akan mengakibatkan penurunan (drop) nilai tegangan keluaran generator.
Nilai tegangan keluaran ini direspon (sensed) melalui transformator pembagi satu fasa yang selanjutnya disearahkan dan dibandingkan dengan sinyal dc yang ditetapkan (referenced). Hasil perbandingan tegangan tersebut yang dikenal sebagai sinyal kesalahan (error signal) selanjutnya dikuatkan melalui amplifier untuk mengendalikan medan eksitasi dan menaikkan tegangan exciter sehingga arus medan generator menjadi naik yang diikuti juga oleh kenaikkan kembali emf yang dibangkitkan generator pada level yang telah ditetapkan.
Untuk melakukan studi tersebut di atas diperlukan alat simulasi yang digunakan untuk melihat respon keluaran dari setiap pemasangan AVR pada generator dengan model AVR yang bervariasi. Tulisan ini akan menyajikan tentang penggunaan Matlab/simulink untuk studi pengendalian daya reaktif dan tegangan pada sistem tenaga listrik dengan AVR. Pemilihan penggunaan software Matlab/simulink didasarkan pada pertimbangan kemudahan pemakaian (user friendly) serta kelengkapan fasilitias yang tersedia.
Kajian Teori
Pengendalian daya aktif dan reaktif merupakan salah satu strategi untuk mempertahankan sistem pada kondisi stabil (steady state) sehingga pembangkitan dan penyaluran daya pada sebuah sistem interkoneksi dapat dilakukan secara ekonomis dan sehandal mungkin meskipun nilai frekwensi dan tegangan di bawah batas yang diizinkan. Perubahan daya nyata berpengaruh besar terhadap frekwensi sistem, sedangkan daya reaktif tidak terpengaruh oleh perubahan frekwensi namun sebagian besar tergantung pada perubahan besar tegangan. Dengan demikian, pengendalian daya nyata dan daya reaktif dilakukan secara terpisah.
Pengendali frekwensi beban (load frequency control) mengendalikan daya nyata dan frekwensi sedangkan pengatur tegangan otomatis (automatic voltage regulator) mengatur besarnya daya reaktif dan nilai tegangan. Kedua jenis
pengendali tersebut menjadi semakin dibutuhkan keberadaannya pada sistem terinterkoneksi yang diharapkan akan membuat operasi sistem menjadi efisien.
Dewasa ini, pengendali frekwensi beban dan pengatur tegangan otomatis masih menjadi dasar pemakaian beberapa konsep lanjut pengendalian sistem tenaga yang besar.
Metoda yang dikembangkan untuk pengendalian generator dan pengendalian interkoneksi berskala besar memainkan sebuah peran penting pada pusat pengendalian energi terkini (baca: modern). Pusat pengendali energi tersebut dilengkapi dengan komputer on-line yang melakukan semua pemrosesan (processing) sinyal melalui sistem penerimaan dari jauh yang sering disebut sebagai sistem supervisory control and data acquisition (SCADA).
Loop pengendalian pembangkit utama
Dalam sebuah sistem tenaga terinterkoneksi, piranti pengendali frekwensi beban dan AVR dipasang pada tiap generator. Gambar 2 menunjukkan diagram skema dari loop kendali frekwensi beban dan AVR.
Pengendali (controller) merupakan piranti pada kondisi operasi khusus yang memerlukan ketelitian perubahan yang kecil pada permintaan beban guna mempertahankan nilai tegangan dan frekwensi dalam batas tertentu. Perubahan kecil pada daya nyata sebagian besar tergantung pada perubahan sudut rotor () dan frekwensi, sedangkan perubahan daya reaktif sebagian besar tergantung pada nilai tegangan.
Konstanta waktu sistem eksitasi lebih kecil dari konstanta waktu penggerak utama (prime mover) dan tunda waktunya lebih cepat serta tidak mempengaruhi pengendali frekwensi beban yang dinamis. Dengan demikian gandengan yang melintang antara loop LFC dan loop AVR dapat diabaikan sehingga pengendali frekwensi beban dan tegangan eksitasi dapat dianalisis sendiri-sendiri.
Pengendalian daya reaktif dan tegangan dengan AVR
Sistem eksitasi generator mempertahankan tegangan generator dan mengendalikan aliran daya reaktif. Model sistem eksitasi konvensional diperoleh melalui slip ring dan sikat dengan memakai generator arus searah yang diperbesar melalui amplifier dalam bentuk yang sama seperti rotor mesin sinkron, sedangkan pada sistem eksitasi modern biasanya diperoleh melalui generator arus bolak-balik dengan penyearah berputar (rotating rectifier) yang dikenal sebagai eksitasi dengan sedikit sentuhan (brushless excitation).
Sebagai langkah awal dalam proses analisis dan desain sebuah sistem kendali adalah pemodelan matematis dari sistem. Dua metode yang lazim digunakan dalam pemodelan matematis ini adalah metode fungsi alih dan pendekatan variabel kondisi. Pendekatan variabel kondisi dapat digunakan untuk menggambarkan sistem linear dan juga sistem tidak linear. Untuk menggunakan fungsi alih dan persamaan kondisi linear, sistem harus dilinearkan terlebih dahulu.
Asumsi dan pendekatan yang tepat dibuat untuk melinearkan persamaan matematik yang menggambarkan sistem sehingga model fungsi alih komponen dapat diperoleh.
Berikut akan ditinjau model-model yang disederhanakan dari bagian- bagian yang terdapat pada pengendali tegangan otomatis (AVR).
Pemodelan amplifier
Penguat sistem eksitasi bisa berupa penguat magnetik, penguat yang berputar atau penguat elektronik modern. Amplifier direpresentasikan dengan sebuah gain KA dan sebuah konstanta waktu A, dan fungsi alihnya adalah:
s K s
V s V
A A e
R
1 ) (
)
( ... (1)
Nilai khusus KA berkisar antara 10 sampai 400, sedangkan konstanta waktu amplifier sangat kecil, berkisar antara 0.02 sampai 0.1 detik dan biasanya sering diabaikan.
Pemodelan Exciter
Ada berbagai jenis sistem eksitasi yang berbeda-beda. Meskipun sistem eksitasi modern menggunakan sumber daya AC melalui penyearah berbentuk
padat (solid state) semisal SCR., tegangan keluaran dari exciter tetap merupakan sebuah fungsi nonlinear dari tegangan medan dikarenakan efek kejenuhan pada sistem kemagnetan. Banyak model dengan berbagai tingkat kerumitan telah dikembangkan dan tersedia pada publikasi rekomendasi IEEE. Model yang layak dari sebuah exciter modern adalah model yang dilinierkan, dengan mempertimbangkan konstanta waktu utama dan mengabaikan kejenuhan atau ketidaklinearan lainnya. Dalam bentuk yang paling sederhana, fungsi alih dari sebuah exciter modern boleh direpresentasikan dengan sebuah konstanta waktu tunggal Edan sebuah penguatan KE, yaitu:
s K s
V s V
E E R
F
1 ) (
)
( ... (2) Konstanta waktu exciter modern sangat kecil.
Pemodelan Generator
EMF yang dibangkitkan mesin sinkron merupakan fungsi dari kurva kemagnetan mesin, dan tegangan terminalnya bergantung pada beban generator.
Pada model yang dilinearkan, hubungan fungsi alih tegangan terminal generator terhadap tegangan medan dapat direpresentasikan melalui sebuah penguat KG dan sebuah konstanta waktu G, dan fungsi alihnya adalah:
s K s
V s V
G G F
t
1 ) (
)
( ... (3)
Konstanta-konstanta tersebut tergantung beban, KG bisa bervariasi antara 0.7 hingga 1, dan G antara 1.0 dan 2.0 detik dari beban penuh hingga tidak berbeban.
Pemodelan Sensor
Tegangan dihubungkan melalui sebuah transformator pembagi dalam bentuk tertentu, dan disearahkannya melalui sebuah penyearah jembatan. Sensor dimodelkan sebagai fungsi alih orde pertama yang sederhana, yang diperoleh dari:
s K s
V s V
R R t
S
1 ) (
)
( ... (4)
Nilai R sangat kecil, dan kita boleh mengasumsikan sebagai deretan dari 0,01 hingga 0,06 detik.
Penggabungan model diatas pada diagram blok AVR ditunjukkan pada gambar 3. Fungsi alih loop terbuka dari diagram blok tersebut adalah:
s
s
s
s
K K K s K
H s KG
R G
E A
R G E A
1 1
1 ) 1
( )
( ... (5)
Dan hubungan fungsi alih loop tertutup tegangan terminal generator )
(s
Vt terhadap tegangan referensi Vref(s) adalah
A
E
G
R
A E G RR R G E A ref
t
K K K K s s
s s
s K
K K K s
V s V
1 1
1 1
1 )
( )
( ... (6)
Atau
) ( ) ( )
(s T sV s
Vt ref ... (7) Untuk sebuah masukan undak (step)
s s Vref 1
)
( , penggunaan teori nilai akhir, menghasilkan respon kondisi stabil:
A A ss s
K s K
sVt
Vt
( ) 1 lim
0 ... (8) Setelah setiap komponen yang termasuk dalam pengatur tegangan otomatis (AVR) dimodelkan, maka dengan menghubungkan setiap blok sesuai dengan jenis AVR, respons yang diperoleh bisa dilihat dengan menggunakan software matlab/simulink.
Pengujian Respon Tegangan AVR
Pemasangan AVR pada generator berfungsi mengendalikan tegangan eksitasi generator sedemikian rupa sehingga tegangan keluaran generator berada pada nilai ambang yang direncanakan. Variasi model AVR sangat berpengaruh pada waktu kestabilan sistem. Berikut ini akan dilihat respon dari beberapa variasi model AVR pada sebuah generator.
Sistem AVR sederhana
Fungsi alih blok diagram sistem AVR yang sederhana dari sebuah generator ditunjukkan pada gambar 4a.
Parameter-parameter yang dimiliki generator diasumsikan sebagai berikut:
Gain Konstanta Waktu Amplifier KA 10 A 0.1
Exciter KE 1 E 0.4 Generator KG 1 G 1.0 Sensor KR 1 R 0.05
Berdasarkan parameter-parameter tersebut, maka dengan menggunakan matlab/simulink respon undak dari sistem AVR tersebut dapat diperoleh sebagaimana ditunjukkan pada gambar 4b.
Sistem AVR dengan Rate Feedback
Berdasarkan hasil respon sistem AVR di atas dapat diamati bahwa untuk amplifier (gain) KA 10, respon undak AVR tidak memuaskan. Dari hasil tersebut juga dapat diamati bahwa pada nilai t=10, respon sistem masih menunjukkan belum tercapainya titik kestabilan. Oleh karena itu, perlu dinaikkan kestabilan relatif dengan memasukkan sebuah pengendali yang akan menambahkan sebuah bilangan nol pada fungsi alih loop terbuka (open loop) AVR. Metode yang sama dalam menyelesaikan masalah tersebut yaitu dengan menambahkan rate feedback terhadap sistem kontrol seperti ditunjukkan pada gambar 5a. Dengan pengaturan KF dan Fyang tepat, sebuah respons yang bagus dapat diperoleh. Konstanta waktu penyetabil (stabilizer) F= 0,04 detik, dan gain turunan diatur sedemikianrupa sehingga KF = 2. Respons tegangan keluaran yang diperoleh ditunjukkan pada gambar 5b.
Sistem AVR dengan PID Control
Salah satu pengendali yang paling lazim digunakan adalah pengendali proportional integral derivative (PID). Pengendali PID digunakan untuk memperbaiki respon dinamis menjadi semakin baik dengan mengurangi atau menghilangkan kesalahan kondisi stabil. Pengendali turunan (derivative controller) menambahkan angka nol pada fungsi alih loop terbuka pembangkit dan memperbaiki respons transien. Fungsi alih pengendali PID adalah :
s s K
K K s
GC( ) P 1 D ... (9) Sebuah pengendali PID ditambahkan pada bagian depan dari sistem AVR, seperti ditunjukkan pada gambar 6a. Respons keluaran dari gambar 6a ditunjukkan pada gambar 6b, dengan mengasumsikan: KP 1.00, KI 0.25, danKD 0.28.
Sistem AVR yang memasukkan AGC
Sebagai akibat dari lemahnya gandengan antara sistem LFC (load frequency control) dan AVR (automatic voltage regulator), maka tegangan dan frekwensi dikendalikan secara terpisah. Pengaruh gandengan dari sistem AGC yang dilinearkan untuk masukan sistem eksitasi bisa dikaji berdasarkan persamaan:
12 12
2 1
12 sin
X E
P E ... (10)
Berdasarkan persamaan (10) dapat dilihat bahwa perubahan kecil daya nyata merupakan hasil koefisien daya penyinkronan PS dan perubahan sudut daya . Dengan memasukkan pengaruh kecil tegangan pada daya nyata, akan diperoleh persamaan yang dilinearkan berikut ini:
t
e P K E
P 2
... (11) Dimana K2 adalah perubahan daya listrik untuk perubahan yang kecil dari emf stator. Lebih lanjut, dengan memasukkan pengaruh yang kecil dari sudut rotor pada tegangan terminal generator, maka akan diperoleh:
t
t K K E
V 5 6
... (12) Dimana K5 adalah perubahan tegangan terminal untuk perubahan kecil sudut rotor pada emf stator yang konstan, dan K6adalah perubahan tegangan terminal untuk perubahan kecil emf stator pada sudut rotor yang konstan. Akhirnya, dengan pemodifikasian fungsi alih medan generator yang memasukkan pengaruh sudut rotor, kita dapat menyatakan emf stator sebagai:
)
1 ( 4
K V K
E f
G G
t ... (13) Konstanta di atas tergantung pada parameter jaringan dan kondisi operasi. Untuk sebuah sistem yang stabil, PS , K2,K4,dan K6 adalah positif, sedangkan K5 bisa negatif.
Sebuah stasiun daya yang terpisah seperti yang ditunjukkan pada gambar 7a, mempunyai parameter- parameter sebagai berikut:
Gain Konstanta Waktu Turbine KT 1 T 0.5 Governor Kg 1 g 0.2 Amplifier KA 10 A 0.1 Exciter KE 1 E 0.4 Generator KG 0.8 G 1.4 Sensor KR 1.0 R 0.05 Inertia H5
Regulation R0.05
Beban bervariasi 0.8 persen untuk 1 persen perubahan frekwensi, yaitu 8
.
0
D . Dengan mengasumsikan: PS 1.5, K6 0.5, K2 0.2, K4 1.4 dan 1
.
5 0
K , PL1 0.2p.userta KP 1.00, KI 0.25 dan KD 0.25.
Berdasarkan data-data tersebut maka respon undak perubahan kecepatan dan respon undak tegangan terminal dapat diperoleh seperti yang ditunjukkan pada gambar 7b dan 7c.
Kesimpulan
Berdasarkan hasil respon yang diperoleh dari studi pengendalian daya reaktif dan tegangan dengan AVR yang bervariasi berbantuan Matlab/simulink, maka dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Sistem AVR sederhana membutuhkan waktu yang lebih lama untuk mencapai daerah kestabilan dibandingklan dengan sistem AVR lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa drop tegangan keluaran generator akan berlangsung cukup lama sesuai dengan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai titik kestabilan yang berimplikasi pada naiknya daya reaktif pada sistem.
2. Sistem AVR yang memasukkan AGC, waktu yang dibutuhkan untuk mencapai daerah kestabilan lebih cepat sehingga drop tegangan keluaran generator akan berlangsung singkat. Implikasi lebih lanjut kenaikan daya reaktif pada sistem semakin minimal.
Gambar 1. Diagram skema pengatur tegangan otomatis (AVR)
Amplifier G
Stabilizer
Rectifier Vref
Exciter
+
- +
-
VR Vf
P.T - -
Gambar 2. Diagram skema LFC dan AVR sebuah generator sinkron
Automatic voltage regulator (AVR)
Voltage sensor Excitation System
Frequency control Load frequency
control (LFC) Valve control
mechanism
Gambar 3. Diagram blok AVR sederhana
VS(s) Ve(s)
VR(s) VF(s) Vt(s)
Vref (s)
KR TR.s+1 Sensor
KG
TG.s+1 Generator KE
TE.s+1 Exciter KA
TA.s +1 Amplifier
Gambar 4a. Fungsi alih blok diagram AVR sederhana
Gambar 4b. Respon AVR sederhana
Step
1 0.05s+1
Sensor
Scope1 1
s+1 Generator 1
0.4s+1 Exciter 10
0.1s+1 Amplifier
Step
2s 0.04s+1 Stabilizer
1 0.05s+1 Sensor
Scope1 1
s+1 Generator 1
0.4s+1 Exciter 10
0.1s+1 Amplifier
Gambar 5a. Fungsi alih blok diagram AVR dengan rate feedback
Gambar 5b. Respon AVR dengan rate feedback
Step
1 0.05s+1
Sensor
Scope1 1
s+1 Generator 1
0.4s+1 Exciter PID
Controller
10 0.1s+1 Amplifier
Gambar 6a. Fungsi alih blok diagram AVR dengan PID control
Gambar 6b. Respon AVR dengan PID control
1 0.5s+1 Turbine
Step1
Step
1 0.05s+1
Sensor
Scope1 Scope
1.5 Ps
0.5 K6
K5 -K- 1.4
K4
0.2 K2 6
K1
1 s Integrator1 1
s Integrator
1 10s+0.8 Inertia & Load 1
0.2s+1 Governor
0.8 1.4s+1 Gen. Field 20
Gain
1 0.4s+1 Exciter PID
Controller
10 0.1s+1 Amplifier
Gambar 7a. Fungsi alih blok diagram AVR yang memasukkan AGC
Gambar 7b. Respon undak perubahan frekwensi
Gambar 7c. Respon tegangan keluaran AVR yang memasukkan AGC
19
DAFTAR PUSTAKA
Brunelle, Patrice. (2000). Power System Blockset. Teqsim Internastional. Canada.
Padiyar, K.R., 1996, Power System Dynamics: Stability anf Control, John Wiley
& Sons Pte Ltd., Singapore
Saadat, Hadi, 1999, Power System Analysis, McGraw-Hill Co, Singapore
Sybille, Gilbert. (2000). Theory and Aplications of Power System Blockset A Matlabb/Simulink Based Simulation Tool for Power Systems. IEEE Trans.
On Power Systems.
Yu, Yoa-nan, 1983, Electric Power System Dynamics, Academic Press, New York
