Agus Supardi, Simulasi Dinamika dan Stabilitas Sistem Tenaga Listrik dengan Thyristor Controlled Braking Resistor

15

Simulasi Dinamika dan Stabilitas Sistem Tenaga Listrik dengan Menggunakan Thyristor Controlled Braking Resistor

Agus Supardi

Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Surakarta

Abstrak Pada tulisan ini dijelaskan mengenai simulasi dinamika sistem tenaga listrik

dengan adanya dua buah generator sinkron yang ditambahkan ke sistem. Analisis simulasi dinamika sistem dilakukan dengan menggunakan Matlab/Simulink. Generator sinkron digerakkan oleh turbin gas dan mesin diesel. Pada saat terjadi gangguan pada sistem, digunakan sebuah Thyristor Controlled Braking Resistor (TCBR) untuk meredam osilasi yang terjadi. Sistem yang hendak dianalisis dinamika dan stabilitasnnya adalah IEEE 13 node test feeder. Dengan sistem ini diilustrasikan karakteristik dan keefektifan TCBR untuk meredam osilasi frekuensi rendah dan mencegah terjadinya ketidakstabilan transien sistem.

Dari hasil analisis diperoleh bahwa dengan adanya penambahan TCBR (Thyristor Controlled Braking Resistor) maka respon transien sistem akan menjadi lebih baik. Hal ini ditunjukkan dengan adanya penurunan overshoot antara 0 % - 40 % dan settling timenya antara 20,8 % - 25 %. Dengan demikian sistem akan menuju kondisi stabil dengan lebih cepat setelah terjadi gangguan.

Kata Kunci: Sistem tenaga, turbin gas, mesin diesel, TCBR, dinamika dan stabilitas.

1. Pendahuluan Sistem tenaga listrik terdiri atas sumber dan beban

yang letaknya berjauhan dan meliputi daerah yang sangat luas serta pengiriman dayanya ke pusat-pusat beban dilakukan melalui jaringan transmisi dengan kapasitas yang terbatas. Pengoperasian yang demikian akan menyebabkan keadaan mantapnya dapat terganggu atau akan menimbulkan peredaman osilasi elektromekanik yang kurang baik dan kondisi yang paling buruk adalah sistem tenaga menjadi gagal.

Ketidakstabilan sistem dapat didefinisikan sebagai sifat dari sistem yang memungkinkan mesin bergerak serempak dalam sistem untuk memberikan reaksinya terhadap gangguan dalam keadaaan normal serta kembali ke keadaan semula bila semua keadaan telah menjadi normal. Ketidakstabilan tenaga tersebut pada dasarnya berkaitan dengan osilasi sudut rotor.

Persamaan yang mengatur gerakan rotor mesin serempak didasarkan pada prinsip dasar dalam dinamika yang menyatakan bahwa momen putar adalah hasil kali momen kelembaman rotor dan percepatan sudutnya yang dirumuskan dengan:

em PPdtdM −=2

2δ watt 1

Masukan daya mekanis dari penggerak mula Pm dianggap tetap, sehingga keluaran daya listrik Pe akan menentukan apakah rotor akan mengalami percepatan, perlambatan atau tetap pada kecepatan serempaknya.

Menurut Stevenson (1990), perubahan Pe ditentukan oleh keadaan jala-jala transmisi, distribusi dan beban yang terpasang pada sistem daya listrik tersebut. Jika pada jaringan listrik terjadi gangguan, akan menyebabkan daya keluaran generator (Pe) berubah dengan cepat yang akan menimbulkan peralihan elektromekais. Selama periode gangguan ini daya yang dikonsumsi oleh beban akan mempengaruhi keseimbangan antara generator dengan beban, sehingga dapat mempengaruhi simpangan sudut dan stabilitas ayunan sitem.

Perubahan Pe ditentukan oleh persamaan aliran daya yang berlaku pada keadaan jaringan listrik dan bagi model yang dipilih untuk mewakili perilaku mesin tersebut. Persamaan aliran daya sendiri dipengaruhi oleh karakteristik beban yang dipasang pada sistem daya listrik.

2. Landasan Teori 2.1. Stabilitas Tegangan

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

JURNAL TEKNIK ELEKTRO EMITOR Vol. 2, No. 1, Maret 2002

16

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 (Daryanto, 1998).

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 (Yu, 1983).

2.2. Perbaikan Respon Stabilitas Transien Sistem Usaha-usaha yang dilakukan untuk memperbaiki

respon stabilitas transien sistem sistem tenaga listrik (Abied, 1983) antara lain:

2.2.1. Excitation Control Peningkatan osilasi sistem ditanggulangi dengan

memperbaiki sistem peredaman melalui pemakaian sinyal tambahan yang masuk pada eksiter generator.

Pada saat ayunan pertama (first swing) dalam 0,5 detik atau kurang, generator tidak akan kehilangan sinkronisasi akibat kenaikan sudut rotornya. Dengan memaksa eksitasi pada batas tertingginya, tegangan terminal generator dipertahankan pada batas ratingnya, yang akan mempertahankan daya keluaran generator, mengurangi torsinya dan mengurangi ayunan pertama.

2.2.2. Fast Valving Salah satu metode pengurangan ayunan pada

generator adalah dengan mengurangi energi mekanis yang dihasilkan oleh turbin selama terjadi gangguan. Energi transien yang berlebihan ini akan dikurangi sehingga menghasilkan ayunan yang lebih kecil dengan kemungkinan yang lebih kecil terjadi kehilangan sikronisasi. Metode ini dikenal dengan fast valving yang berkaitan dengan pengoperasian katub uap dalam waktu yang sangat singkat.

2.2.3. Kompensasi Seri Daya listrik Pe yang disalurkan oleh saluran

transmisi diberikan oleh:

δsinX

EVPe = 2

Dengan: E : tegangan internal generator V : tegangan sisi penerima X : reaktansi seri total

Bila dianggap E dan V dipertahankan konstan, dan X diubah-ubah, maka daya yang disalurkan berbanding terbalik dengan X. Nilai X yang lebih rendah berarti amplitude sudut daya menjadi lebih tinggi. Dengan demikian untuk daya awal tertentu, sudut δ akan menjadi lebih kecil dan kesanggupan saluran yang terganggu untuk mengubah energi kinetik

transien yang besar (yang disebabkan oleh gangguan) menjadi energi potensial akan menjadi lebih besar. Jadi ayunan rotor pada generator akan menjadi lebih kecil dan kemampuannya untuk tetap sinkron dengan sistem yang lain menjadi lebih besar. Alasan yang sama menujukkan bahwa nilai X yang lebih besar akan mempunyai efek yang berlawanan pada stabilitas transien generator.

2.2.4. Pengurangan Energi yang berlebihan selama transien

Metode ini menggunakan braking resistor yang digunakan pada situasi dimana daya yang besar disalurkan melalui saluran yang jumlahnya terbatas. Kehilangan sebagian dari salurannya mungkin akan mendorong terjadinya ketidakseimbangan energi yang serius yang mengakibatkan ayunan generator yang sangat besar dan kehilangan sinkronisasi.

Pada bagian awal transien, generator dibebani dengan resistor, yang berlaku sebagai sebuah pengganti beban sistem. Kelebihan enrgi akan dikurangi, sehingga menghasilkan ayunan generator yang lebih kecil. Untuk menurunkan biaya, braking resistor digunakan untuk waktu yang sangat singkat dalam orde beberapa detik. Untuk pengaturannya dapat menggunakan thyristor yang dikenal dengan Thyristor Controlled Braking Resistor (TCBR).

3. Pemodelan Sistem Untuk investigasi karakteristik dinamika dari

sistem distribusi dengan adanya penambahan generator distribusi dan pemanfaatan TCBR untuk stabilitas pada sistem distribusi, model jaringan dan model generator distribusi disimulasikan dengan MATLAB/simulink (Miao, 2002).

3.1. Model Gardu Induk Model gardu induk yang dipakai adalah sebagai

berikut:

Gambar 1. Model gardu induk

Kapasitas gardu induk sebesar 129 MVA pada

rating tegangan 138 kV

3.2. Model Generator Sinkron Dalam memodelkan generator sinkron terdapat

dua pemodelan, yaitu model mekanik dan model listrik. Persamaan mekaniknya adalah:

Agus Supardi, Simulasi Dinamika dan Stabilitas Sistem Tenaga Listrik dengan Thyristor Controlled Braking Resistor

17

)TT(H21

)1(

em

0

−=ω

−ωω=δ

&

& 3

Dan persamaan listriknya:

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−

−

−

−ϕω+

−ϕω−

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

ϕ

ϕϕϕ

ϕϕ

'2kq

'2kq

'2kq

'1kq

'1kq

'1kq

'kd

'kd

'kd

'fd

'fd

'fd

qqRs

dqRds

2kq

1kq

kd

fd

q

d

ViR

ViR

ViR

ViR

ViqRViR

&

&

&

&

&

&

4

Dengan,

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

2

1

kq2'

md

kq1'

md

kd'

mdmd

mdfd'

md

mdmdq

mdmd d

2

1

L 0 0 0L 0

0L 0 0L 0

0 0 LL 0L

0 0 L L 0L

LL 0 0 L 00 0 L L 0 L

kq

kq

kd

fd

q

d

kq

kq

kd

fd

q

d

i

ii

iii

ϕ

ϕϕ

ϕ

ϕϕ

&

&

&

&

&

&

5

Parameter-parameter generator sinkron ditunjuk-

kan pada tabel 1. Tabel 1. Parameter-parameter generator sinkron

Pb1 = 2.1 MW Pb2 = 1.1 MW Vb = 4160 V Xd = 2.0 Xd' = 0.263 Xd" = 0.173 Xq = 1.6 Xq" = 0.2 Xqo " = 0.035 Td ' = 1.105 Td" = 0.035 X1 = 0.18 R = 2.85e-3 H = 2.6

3.3. Model Turbin Gas Sebuah model gas turbin single-shaft dinamik

sederhana ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2. Diagram model gas turbin

Model turbin gas terdiri dari kecepatan governor, limits, posisi valve, pompa bahan bakar, dan turbin. Sinyal masukan adalah kecepatan N generator sinkron, dan keluarannya sinyal kontrol Pmech generator sinkron. Keluaran turbin adalah:

Pmech = ƒ(N,Wƒ) = 1.3 (Wƒ - 0.23) + 1-N/2 Dengan, N = kecepatan generator sinkron dalam per unit Wƒ = aliran bahan bakar IC1, IC2 = nilai inisial dari posisi valve dan pompa

bahan bakar.

Parameter-parameter gas turbin yang digunakan untuk simulasi ditunjukkan pada tabel 2.

Tabel 2. Parameter-parameter gas turbin

Kd = 25 Tg = 0.05 Tv = 0.05 Tf1 = 0.4 Pmax = 1.2 Pmin = -0.1

3.4. Model Mesin Diesel Sebuah mesin diesel digunakan untuk memutar

generator sinkron. Model mesin diesel (Yeager and Willis, 1993) ditunjukkan pada gambar 3. Sinyal masukan adalah kecepatan ω dalam per unit dan keluarannya adalah sinyal kontrol Pmech generator sinkron. IC adalah nilai inisial dari integrator.

Gambar 3. Diagram model governor dan mesin diesel Parameter-parameter mesin diesel ditunjukkan

pada tabel 3.

Tabel 3. Parameter mesin diesel

K = 4,0 T1 = 0,01 T2 = 0,02 T3 = 0,2 T4 = 0,25 T5 = 0,009 T6 = 0,0384 Tmin = 0

3.5. Model Sistem eksitasi Model sistem eksitasi yang dipakai untuk kedua

generator sinkron yang digerakkan dengan turbin gas dan mesin diesel adalah sama dengan turbin gas dan mesin diesel adalah sama. Pada penyusunan tulisan ini sistem eksitasinya mengacu pada tipe 1 pengatur tegangan dan penguatan (exciter). Model sistem eksitasi ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 4. Model eksitasi generator sinkron

Dalam gambar 4, sinyal masukan adalah tegangan

terminal generator sinkron dan keluarannya adalah tegangan penguatan Vƒ. Keluaran dari unit filter adalah tegangan terminal Vƒƒ urutan positif. Parameter-parameter sistem eksitasi ditunjukkan pada tabel 4.

Tabel 4. Parameter sistem eksitasi

Ta = 0,002 Tb = 0 Tc = 0 Te = 0 Tf = 0,1 Tr = 20e-3 Ka0 = 200 Ke0 = 1,0 Kf0 = 0,001 Kp = 0 Efmax = 6.0 Efmin = 0

JURNAL TEKNIK ELEKTRO EMITOR Vol. 2, No. 1, Maret 2002

18

3.6. Konfigurasi TCBR Thyristor Controlled Braking Resistor (TCBR)

merupakan braking resitor yang elemen pengontrolnya berupa dua thyristor yang dipasang saling berlawanan secara pararel, yang memungkinkan penghantaran bolak-balik. Sebab kalau cuma satu thyristor saja, maka keluarannya akan bersifat searah. Susunan TCBR (Wang, 1994) ditunjukkan pada gambar 5.

Tujuan pemakaian TCBR adalah untuk meredam osilasi bila sistem mengalami gangguan. Hal ini dilakukan dengan pengontrolan sudut penyulutan pulsa (α) pada gerbang thyristor, yang berarti mengatur besar kecilnya arus yang mengalir pada resistor. Apabila beban yang hilang karena gangguan adalah kecil, maka sudut penyulutan thyristor akan diperbesar sehingga arus yang mengalir akan lebih kecil sehingga daya aktif yang diserap oleh TCBR akan diperkecil dan digunakan sistem untuk menggantikan kebutuhan daya aktifnya. Bila beban yang hilang akibat gangguan adalah besar, maka terjadi kelebihan daya aktif dari suplai, untuk itulah sudut penyulutan thyristor pada TCBR diperkecil, sehingga arus yang mengalir pada TCBR akan membesar.

4. Analisis Dinamika dan Stabilitas Sistem

4.1. Sistem yang Hendak Diuji Sistem yang hendak dianalisis terdiri atas 2 buah

generator sinkron yang digerakkan oleh turbin gas dan mesin diesel yang dihubungkan ke IEEE 13 node test feeder (Distribution System Analysis Subcommittee Report, 2001) sebagai sistem uji. DG1 adalah generator yang digerakkan oleh turbin gas dan dihubungkan pada bus 671. DG2 adalah generator

yang digerakkan dengan mesin diesel dan dihubungkan pada bus 633. Untuk perbaikan respon transien sistem pada saat mengalami gangguan maka digunakan TCBR yang dihubungkan ke terminal generator DG1. Sistem selengkapnya ditunjukkan pada gambar 6.

Gambar 6. Diagram satu garis IEEE 13 node test feeder dengan DG dan TCBR

4.2. Analisis TCBR Dan Arus Yang Lewat Pada Resistor Hasil simulasi untuk sudut penyulutan sebagai

fungsi waktu (Miao, 2002) ditunjukkan pada gambar 7. Pada saat sebelum gangguan, thyristor mempunyai sudut penyulutan sebesar 1500. Kemudian saat terjadi gangguan pada t = 0,1 detik, sistem mengalami perubahan (∆ω dan V), sehingga pengendali sudut penyulutan thyristor akan memerintahkan perubahan sudut penyulutan. Sudut penyulutan ini terus berubah-ubah sesuai dengan kondisi sistem sampai dicapai kondisi stabil.

Gambar 5. Diagram TCBR dan unit kontrolnya

Agus Supardi, Simulasi Dinamika dan Stabilitas Sistem Tenaga Listrik dengan Thyristor Controlled Braking Resistor

19

Gambar 7. Sudut penyulutan thyristor

Hasil simulasi untuk arus yang melewati resistor yang terhubung dengan thyristor (Miao, 2002) ditunjukkan pada gambar 8.

Gambar 8. Arus yang lewat pada resistor yang terhubung

dengan thyristor fase A

Dari gambar 8, dapat dilihat bahwa pada saat sebelum terjadi gangguan (t < 0,1 detik) tidak ada arus yang lewat resistor. Saat mulai terjadi gangguan, arusnya mulai mengalir dan semakin besar ketika gangguan dihilangkan pada t = 0,5 detik. Mulai saat ini, arusnya naik turun mengikuti dinamika sistem tenaga dalam rangka pencapaian kondisi stabilnya.

Hal ini disebabkan karena saat gangguan dihilangkan sistem mengalami perubahan yang besar sehingga sistem menjadi berosilasi. Gangguan yang hilang menyebabkan seolah-olah sistem kehilangan beban maya yang besar. Untuk mengatasi hal ini dipakai resistor yang akan berlaku sebagai beban tiruan yang akan menyerap arus selama dibutuhkan.

Pada gambar 8, arus yang lewat resistor bisa mencapai 1500 ampere, tetapi hanya berlangsung sangat singkat. Pada saat sistem telah stabil, arus yang lewat resistor menjadi nol lagi.

4.3. Analisis Dinamika Generator DG1 Hasil simulasi dinamika tegangan terminal,

deviasi kecepatan stator dan daya mekanis dari DG1 (Miao, 2002) ditunjukkan pada gambar 9, 10 dan 11.

Gambar 9. Tegangan terminal DG1

Gambar 10. Deviasi kecepatan stator DG2

Gambar 11. Daya mekanis DG1

4.4. Analisis Dinamika Generator DG2 Hasil simulasi dinamika tegangan terminal,

deviasi kecepatan stator dan daya mekanis dari DG2 (Miao, 2002) ditunjukkan pada gambar 12, 13 dan 14.

Gambar 12. Tegangan terminal DG2

Dari data tabel 5 dan tabel 6, dapat dilihat bahwa

dengan adanya pemasangan TCBR pada terminal DG1 akan memperbaiki karakterisitik dinamika dan stabilitas sistem tenaga. Hal ini ditunjukkan dengan adanya penurunan overshoot dan settling time. Dengan penurunan overshott berarti sistem mengalami perubahan yang lebih kecil selama menuju kondisi stabilnya. Penurunan settling time berarti sistem menuju kondisi stabilnya dengan lebih cepat

5. Kesimpulan Dari pembahasan sebagaimana diuraikan

sebelumnya dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:

JURNAL TEKNIK ELEKTRO EMITOR Vol. 2, No. 1, Maret 2002

20

1. Dengan adanya penambahan TCBR (Thyristor Controlled Braking Resistor) maka respon transien sistem akan menjadi lebih baik. Hal ini ditunjukkan dengan adanya penurunan overshoot dan settling timenya. Dengan demikian sistem akan menuju kondisi

stabil dengan lebih cepat setelah terjadi gangguan.

2. Perbaikan stabilitas sistem dengan adanya penambahan TCBR ditunjukkan dengan penurunan overshoot antara 0 % - 40 % dan penurunan settling time antara 20,8 % - 25 %.

Daftar Pustaka [1] Abied, A.H.,1983, Power Systems Analysis & Planning, Hermisphere Publishing Corp. Washington [2] Daryanto, 1998, Pengaruh Parameter Beban Dinamis Pada Peredaman Osilasi Sistem Daya, Tesis,

UGM [3] Distribution System Analysis Subcommittee Report, 2001, Radial Distribution Test Feeder, Columbus,

OH, IEEE PES Winter Meeting [4] Miao, et al., 2002, Dynamic Simulation and Stability Control Of Three Phase Power Distribution

System With Distributed Generator, IEEE Transaction on Power System, pp1029-1035, 2002 [5] Padiyar, 1996, Power System Dynamics Stability And Control, John Wiley & Son, Singapore Ltd [6] Rahim, A.H.M.A., and Alamgir, D.A.H., 1988, A Closed Loop Quasi Optimal Dynamic Braking

Resistor and Shunt Reactor Control Strategy to Transient Stability, IEEE Transaction on Power System, vol 3, pp 879 – 886, Aug, 1988

[7] Sahrma, C, 1998, Modelling of an Island Grid, IEEE Transaction on Power System, vol 3, pp971 – 978, Aug, 1998

[8] Wang, et al., 1994, Variable Structure Braking Resistor Control in a Machine Power Systems, IEEE Transaction on Power System, vol 9, pp. 1840 – 1846, Nov. 1994

[9] Yeager,K.E. and Willis, J.R., 1993, Modelling of Emergency Diesel Generator in an 800 Megawatt Nuclear Power Plant, IEEE Transaction on Energy Conversion, vol 8, p. 433 – 441, Sept , 1993

[10] Yu, N.Y., 1983, Electric Power system Dynamics, Academics press, New York