BAB I

PENDAHULUAN

Pada perencanaan dan operasi sistem tenaga listrik, kestabilan sistem adalah hal yang sangat

penting. Pada sistem pengaturan modern, eksitasi memegang peranan penting dalam

mengendalikan kestabilan suatu pembangkit karena apabila terjadi fluktuasi beban maka eksitasi

sebagai pengendali akan berfungsi mengontrol keluaran generator seperti tegangan, dan faktor daya

dengan cara mengatur kembali besaran-besaran input guna mencapai titik keseimbangan barn. Bila arus

eksitasi naik maka daya reaktif yang disalurkan generator ke sistem akan naik sebaliknya bila turun

maka daya reaktif yang disalurkan akan berkurang. Jika arus eksitasi yang diberikan terlalu kecil,

aliran daya reaktif akan berbalik dari sistem menuju ke generator sehingga generator menyerap daya

reaktif dari sistem. Keadaan ini sangat berbahaya karena akan menyebabkan pemanasan berlebihan pada

stator.

Pada dasarnya, kestabilan sistem tenaga listrik terbagi dalam kestabilan steady state dan

kestabilan transient. Kestabilan transient berhubungan dengan gangguan besar yang terjadi

secara tiba-tiba, seperti gangguan hubung singkat, pemutusan saluran, pemindahan atau pemutusan

beban. Sedangkan kestabilan steady state berhubungan dengan kemampuan sistem tenaga listrik untuk

kembali pada kondisi operating point-nya setelah terjadi gangguan kecil.

Suatu sistem tenaga listrik dikatakan dalam kondisi stabil bila seluruh variabel keadaannya

stabil, baik tegangan bus, sudut genarator atau frekuensi sistem. Bila sistem menjadi tidak stabil, maka

ketidakstabilan tersebut bisa dimanifestasikan melalui cara-cara berbeda, tergantung pada sifat dari

sistem, kondisi operasi serta pada sifat dan lokasi yang memulai gangguan. Ketidakstabilan

sistem yang diwujudkan dalan bentuk tegangan di beberapa bus turun jauh di bawah kondisi normal

dan memungkinkan terjadi gagal tegangan, maka peristiwa tersebut bisa dikatakan atau merupakan

fenomena ketidakstabilan tegangan. Persoalan stabilitas sangat bergantung pada kemampuan sistem

mempertahankan kondisi tegangan mantap pada seluruh bus, baik dalam keadaan operasi normal maupun

setelah terjadi gangguan. Suatu sistem dikatakan dalam kondisi tegangan tidak stabil, bila terjadi

perubahan pada sistem di luar prakiraan.

1

BAB II

OPERASI DAN DINAMIKA SISTEM TENAGA LISTRIK

2.1 Dinamika Sistem Tenaga Listrik

Sistem tenaga modern dipresentasikan oleh sebuah sistem interkoneksi yang sangat tergantung

pada kontrol untuk memanfaatkan secara optimal sumber daya yang ada. Sumber yang dapat

diperbarui dan ekonomi energi listrik merupakan faktor penentu perkembangan industri yang bisa

meningkatkan standar hidup masyarakat. Sejak revolusi industri, kebutuhan energi listrik

meningkat tajam. Sebagian besar energi yang dibutuhkan oleh masyarakat modern disuplai dalam

bentuk energi listrik. Peningkatan kebutuhan energi listrik yang sebanding dengan keterbatasan antara

sumber daya dan lingkungan merupakan tantangan yang hams dihadapi oleh perancang sistem. Sebuah

keterbatasan pada penyaluran daya akan menimbulkan usaha untuk meningkatkan kemampuan

jaring transmisi dalam pencarian solusi teknologi terbaik. Perkembangan rekayasa kontrol yang sangat

cepat cenderung mengatur penyaluran daya pada saluran transmisi daya listrik sesuai kebutuhan dan

bervariasi dari waktu ke waktu menggunakan kontrol yang terpadu dan optimal. Dinamika sistem

tenaga menjadi faktor penting untuk memenuhi operasi sebuah sistem. Hal itu dipengaruhi oleh

komponen-komponen dinamika sistem seperti generator, jaring transmisi, beban, peralatan Flexible

AC Transmision System (FACTS), dan peralatan kontrol yang lain.

2.2 Kestabilan Sistem Tenaga Listrik

Stabilitas sistem tenaga listrik telah menjadi perhatian utama dalam sebuah sistem operasi.

Perhatian itu muncul dari fakta bahwa pada kondisi keadaan mantap (steady state), kecepatan rata-rata

untuk semua generator hams sama. Kondisi tersebut dinamakan pada operasi sinkron dari sebuah

sistem yang terinterkoneksi. Gangguan kecil atau besar pada sistem tenaga berdampak pada operasi

sinkron. Sebagai contoh, kenaikan atau penurunan tiba-tiba pada beban, atau akibat mgi

pembangkitan, menjadi salah satu jenis gangguan yang berpengaruh sangat signifikan terhadap

sistem. Jenis lain dari gangguan adalah jaring transmisi terputus, beban lebih (over load), atau hubung

singkat. Dengan demikian diharapkan stabilitas sistem akan menuju ke keadaan mantap dalam waktu

singkat setelah gangguan menghilang. Hal itu mempakan gambaran dari sebuah sistem yang dianggap

sukses.•

Gangguan dapat dibagi menjadi 2 kategori, yaitu gangguan kecil dan gangguan besar.

Gangguan kecil mempakan satu dari elemen sistem dinamik yang dapat dianalisis menggunakan

2

persamaan linear (analisis sinyal kecil). Gangguan kecil yang terjadi bempa pembahan beban pada sisi

beban atau pembangkit secara acak, pelan dan bertingkat. Gangguan yang menghasilkan kejutan tiba-

tiba pada tegangan bus adalah jenis gangguan besar yang hams dihilangkan secepatnya. Jika tidak

dihilangkan secepatnya, gangguan itu akan sangat mempengamhi kestabilan sistem. Tidak hanya besar

gangguan, waktu gangguan juga berpengamh terhadap kestabilan sistem.

2.2.1 Kestabilan Steady State

Kestabilan steady state adalah kemampuan sistem tenaga untuk mencapai kondisi stabil pada

kondisi operasi barn yang sama atau identik dengan kondisi sebelum terjadi gangguan setelah

sistem mengalami gangguan kecil. Analisis kestabilan steady state menggunakan pendekatan

model linear. Kestabilan steady state pada sistem tenaga dapat disebut sebagai kestabilan sinyal kecil

(small signal stability). Kestabilan steady state merupakan sebuah fungsi dari kondisi operasi.

2.2.2 Kestabilan Transien

Kestabilan transien adalah kemampuan sistem tenaga untuk mencapai kondisi stabil operasi

barn yang dapat diterima setelah sistem mengalami gangguan besar. Analisis kestabilan transien

menggunakan pendekatan model nonlinear. Kestabilan transien pada sistem tenaga adalah respon

output yang mencapai kondisi operasi steady state yang diizinkan dan sistem yang dapat kembali ke posisi

semula pada saat sistem mengalami gangguan. Kestabilan transien merupakan fungsi dari kondisi

operas i dan gangguan %1 l i .

Di samping dua kategori di atas, Professor William D. Stevenson menambahkan

satu kategori, yaitu kestabilan dinamik. Secara konsep kestabilan steady state dan dinamik adalah sama.

Hal penting lain yang hams dicatat adalah walaupun sistem beroperasi dalam kondisi tidak stabil

secra transien, tetapi kestabilan sinyal kecil pada sistem tersebut perlu dijaga setiap waktu. Secara umum,

kestabilan tergantung pada beban sistem. Peningkatan beban dapat memicu ketidakstabilan. Hal

itu menunjukkan bahwa menjaga kestabilan sistem merupakan hal penting meskipun berada di bawah

kondisi beban berat.

2.4 Permasalahan Dinamika Sistem Tenaga

Pada tahap awal perkembangan sistem tenaga, lebih dari 50 tahun yang lalu, kedua

permasalahan kestabilan (steady state dan transien) menjadi tantangan bagi para perancang.

Pembangunan fast acting static exciter dan electronic voltage regulator untuk mengatasi

3

tingkat permasalahan kestabilan transien dan steady state. Perkembangan di bidang operasi kecepatan

tinggi circuit breaker dan pengurangan waktu dalam penghilangan gangguan juga telah terbukti

dapat meningkatkan kestabilan sistem. Pengaturan frekuensi beban (Load Frequency Control)

telah mengakibatkan perkembangan pengatur kecepatan turbin yang memungkinkan kontrol frekuensi

danoutput generatorsecaraminimum. Kontrol penggerak mula (prime mover) yang bervariasi

diklasifikasikan sebagai primer (kecepatan governor), sekunder (aliran daya dan frekuensi), dan

tersier (economic load dispatch). Bagaimanapun juga, perubahan deviasi frekuensi hams menjadi

lebih kecil dalam pembangunan sistem interkoneksi yang baik Oleh sebab itu, kontrol frekuensi tenaga

(dikenal juga dengan Automatic Generation Control (AGC)) telah menjadi hal yang sangat

penting dan berkembang dengan sangat cepat. Desain kontrol sistem pada prime-mover juga dapat

membantu meningkatkan performansi dinamika sistem, khususnya stabilitas frekuensi. Di sisi lain,

problem osilasi tenaga frekuensi rendah menjadi hal yang sangat penting untuk dicermati. Osilasi frekuensi

berada antara 0,2 sampai dengan 2,0 Hz. Frekuensi yang lebih rendah dapat semakin meluas menjadi

osilasi interarea. Osilasi tersebut ditemukan pada fast voltage regulation dalam generator. Hal itu

dapat dibantu dengan penyediaan peralatan kontrol tambahan berupa Power System Stabilizer

(PSS). Desain dan perkembangan PSS yang efektif akhir-akhir ini banyak diinvestigasi oleh

para peneliti.

Problem utama lain yang dihadapi oleh sistem tenaga modern adalah tegangan jatuh atau

ketidakstabilan tegangan yang merupakan hasil dari ketidakstabilan kondisi mantap. Sejarah

mencatat bahwa ketidakstabilan steady state berhubungan dengan ketidakstabilan sudut daya dan kehilangan

sinkronisasi antar generator secara perlahan. Kejatuhan tegangan bus beban di bawah kondisi beban

tinggi dan Batas daya reaktif secara perlahan adalah fenomena yang saat ini sedang banyak diminati.

Fenomena transmisi daya dihadapi oleh negar-negara maju meskipun mereka memiliki cadangan

tenaga yang besar. Faktor lingkungan dan ekonomi mengharuskan lokasi generator

diletakkan pada tempat terpencil melalui jaring tenaga listrik yang tersedia. Problem operasional yang

dihadapi pada kasus tertentu membutuhkan analisis detail dari sifat dinamik sistem tenaga dan

perkembangan kontroler yang cocok untuk mengatasi masalah. Sistem tidak hanya menempatkan

kontroler pada generator seperti eksitasi dan kontroler pengatur kecepatan, tetapi juga kontroler

pada HVDC converter station, Static VAR Compensator (SVC), dan peralatan FACTS

yang lain Peralatan kontrol barn seperti Thyristor Controlled Series Compensation

(TCSC), STATCOM, dan Static Phase Shifter (SPS) melaju terus dan berkembang pesat.

4

Keanekaragaman penggunaan kontroler mat inimenjadi tantangan bagi para perancangan untuk

menghasilkan kombinasi yang ideal.

Peralatan yang digunakan untuk menyelesaikan studi problem dinamika sistem di waktu

lampau amat sederhana. Simulasi analog menggunakan AC Network Analyser tidak mencukupi

untuk model generator secara detail. Keuntungan komputer digital tidak hanya dapat mengantar

model peralatan kompleks, tetapi juga dapat mensimulasikan sistem skala besar. Model realistis

memungkinkan simulasi sistem melebihi periode yang lebih lama dari periode sebelumnya. Kontrol

modern dapat diaplikasikan untuk memperbaiki performansi sistem. Sekarang banyak

dikembangkan implementasi kontrol modern sebagai peralatan yang cerdas untuk memperbaiki

performansi sistem tenaga listrik, seperti aplikasi Optimal Control, Fuzzy Logic Control, dan

Genetic Algorithm. Walaupun sebagian masih terbatas pada simulasi, tetapi aplikasi pada real time

di masa mendatang pada bidang industri tenaga listrik masih sangat terbuka lebar dan menjadi lahan

pekerjaan dan penelitian yang sangat menarik.

2.5 Kestabilan Transfer Daya Generator

Generator beroperasi dalam keadaan stabil, jika terdapat keseimbangan antara daya input mekanis

penggerak utama (prime mover) dengan daya output listrik. Dalam keadaan ini generator berputar

dalam kecepatan sinkron dengan tegangan keluaran 1 pu. Jika terjadi ketidakseimbangan misal karena

kenaikan atau penurunan beban maka generator akan mengalami transien yaitu menyimpangnya

nilai kecepatan rotor generator (frekuensi sitem) dan tegangan dari nilai nominal. Agar kecepatan

rotor dan tegangan keluaran generator kembali normal, governor dan rangkaian eksitasi akan bereaksi

menyeimbangkan daya input dan output. Jika akibat beroperasinya governor dan rangkaian eksitasi, nilai

kecepatan dan tegangan menuju nilai barn atau kembali ke nilai nominal, berarti generator tersebut stabil.

Sebaliknya, bila akibat beroperasinya governor dan rangkaian eksitasi, nilai kecepatan dan

tegangan tidak konvergen ke satu niali, bearti generator tersebut tidak stabil.

Kestabilan generator bergantung pada banyak faktor. Di samping faktor kecepatan respon

governor dan eksitasi, kestabilan generator sangat bergantung pada nilai sudut daya generator pada nilai

transfer daya tertentu dan reaktansi jaringan antara generator dan beban. Untuk memahami lebih

lanjut mengenai fenomena kestabilan transfer daya generator ditunjukkan gambar 2.1. Gambar 2.1 adalah

skema generator yang mencatu daya melalui sistem transmisi ke sistem ujung penerima pada rel 2.

Segiempat yang terlihat mewakili sistem transmisi yang terdiri dari komponen pasif linear seperti

transformator, saluranb transmisi, kapasitor dan termasuk juga reaktansi peralihan generator

5

tersebut. Tegangan E'1 mewakili tegangan dalam peralihan generator pada rel 1. Tegangan E'2 pada

ujung penerima disini di anggap sebagai tegangan tak terhingga atau tegangan dalam

peralihan motor serempak yang reaktansi peralihannya sudah dimasukkakn ke dalam

jaringan.

Gambar 2.1 Diagram Transfer Daya

2.6 Load Frequency Control

Sistem pengaturan prime mover memberikan sarana untuk mengendalikan

aktif. Fluktuasi permintaan daya aktif pada satu titik direfleksikan oleh sistem sebagai fluktuasi

frekuensi. Karena banyak generator penyalur daya listrik terhubung pada sistem, maka diharuskan

menyediakan metode yang tepat untuk mengalokasikan fluktuasi permintaan daya tersebut.

Pengatur kecepatan masing-masing unit pembangkit memberikan fungsi kontrol kecepatan

primer yang menyebabkan kontrol tambahan pada kontroler sentral (pusat) untuk

mengalokasikan pembangkitan. Dalam sistem mesin terinterkoneksi dengan dua atau lebih

area yang terkontrol secara independen, pembangkitan pada masing-masing area harus

dikendalikan untuk menjaga pertukaran daya yang terjadwal dalam mengontrol frekuensi.

6

Dengan aksi kontrol kecepatan primer, perubahan pada beban sistem akan berpengaruh pada

penyimpangan frekuensi steady state, bergantung pada karakteristik droop governor dan

sensitivitas frekuensi beban. Semua unit pembangkit dengan pengaturan kecepatan akan

memberikan kontribusi pada perubahan pembangkitan dengan mengabaikan lokasi perubahan beban.

Sarana dasar untuk mengatur daya prime mover agar sesuai dengan variasi beban pada perilaku yang

diinginkan adalah melalui kontrol set-point referensi beban pada unit pembangkit yang

dipilih Seiring dengan beban sistem yang selalu berubah, diperlukan perubahan output secara

otomatis dengan kontrol pembangkitan. Tujuan utama dari kontrol pembangkitan otomatis adalah untuk

mengontrol frekuensi pada nilai nominal yang telah ditentukan dan untuk menjaga pertukaran daya antar

kontrol area pada nilai yang dijadwalkan dengan menyesuaikan output dari generator. Fungsi ini secara

umum disebut sebagai Load Frequency Control (LFC).

2.7 Flexible AC Transmision System (FACTS)

Pengoperasian sistim jaringan transmisi daya listrik kini telah memasuki era barn. Dalam tahapan barn

ini, transmisi daya listrik tidak hanya akan menjadi lebih terjamin dan lebih terkendali dalam

pengaturannya, tetapi juga akan menjadi jauh lebih efisien dalam pemanfaatannya. Peningkatan pesat ke

arah pemanfaatan sistim jaringan transmisi listrik secara optimal ini dimungkinkan dengan keberadaan

dan semakin dewasanya aplikasi teknologi dibidang elektronika daya pada khususnya dan

teknologi semikonduktor pada umumnya. Teknologi kendali terbaru untuk transmisi daya listrik ini

populer dengan sebutan FACTS singkatan dari Flexible AC Transmission System dan pertama kali

dikembangkan oleh Electric Power Research Institute (EPRI) di Palo Alto negara bagian California di

Amerika Serikat. Pada awal pengembangannya, teknologi FACTS ditujukan untuk menjawab

permasalahan dalam peningkatan kapasitas pengaliran daya listrik pada sistim jaringan transmisi dan

juga untuk menyediakan peralatan kendali daya listrik yang terpercaya pada jalur transmisi yang diinginkan.

Pengendalian sistim daya listrik bolak balik (AC) telah dikenal sebagai hal yang kompleks. Ini

disebabkan oleh perubahan secara terus menerus antara medan magnit dan medan listrik. Bergeraknya

arus listrik pada satu transmisi tidak hanya dipengaruhi oleh keberadaan tahanan tetapi juga dari induktansi

dan kapasitansi di sepanjang transmisi tersebut. Kombinasi dari ketiga hal inilah yang dikenal dengan

istilah impedansi. Selain daripada itu, pada jaringan transmisi listrik AC, daya listrik mengalir dari ujung

7

transmisi dengan voltase fasa leading ke ujung yang lain yang bervoltase fasa tertinggal (lagging).

Besarnya daya listrik yang mengalir pada suatu transmisi akan bertambah dengan semakin besarnya

perbedaan sudut fasa antara kedua voltase tersebut. Konsekuensinya, penambahan aliran daya

listrik suatu transmisi dengan demikian dapat dilakukan dengan tiga cara: menaikan voltase,

menambah selisih sudut antara dua ujung transmisi atau dengan pengurangan impedansi dari

transmisi. Teknologi FACTS inilah yang kemudian dikembangkan dengan salah satu tujuan untuk

menyediakan peralatan yang fleksible dalam pengaturan atau pengendalian ketiga parameter aliran

daya listrik tersebut. Dengan pengaturan dan pengendalian yang fleksibel ini maka harapan untuk

memaksimalkan kapasitas transmisi pada tingkat batas panas (thermal rating) akan terwujud. Jenisjenis

FACTS yaitu HVDC converter station, Static VAR Compensator (SVC), Thyristor

Controlled Series Compensation (TCSC), STATCOM, Static Phase Shifter (SPS) dan

lain-lain.

Upaya menaikkan batas maksimum transfer daya dapat dilakukan dengan

memperkecil nilai reaktansi jaringan. Cara yang paling efektif adalah dengan

menggunakan kompensasi kapasitor seri (salah satu jenis FACTS). Disamping

meningkatkan kestabilan dinamik, kapasitor seri juga berfungsi memperbaiki

regulasi tegangan dan keseimbangan daya reaktif serta memperbaiki load sharing

antar saluran paralel. Salah satu bentuk peralatan kapasitor seri adalah Thyristor

Controlled Series Compensation (TCSC).

Subsynchronous Resonance (SSR)

Pemakaian kapasitor seri, disamping memberikan banyak keuntungan, dapat

menimbulkan osilasi akibat resonansi antara kapasitor dengan induktor pada

frekuensi sub-sinkron dari turbin. Fenomena ini dinamakan Subsynchronous

Resonance (SSR). Salah satu cara untuk meredam SSR adalah dengan menggunakan

Power System Stabilizer (PSS). Cara inilah yang akan dikembangkan dalam tugas akhir ini.

Dalam tugas akhir ini Power System Stabilizer digunakan bukan hanya untuk meredam osilasi yang

disebabkan SSR, tetapi juga osilasi yang disebabkan oleh perubahan beban, atau dapat memperbaiki

respon kestabilan dinamik sistem tenaga listrik.

8