Pengaruh Distributed Generation Terhadap Stabilitas Transien Pada Sistem Distribusi (Studi Kasus: Penyulang Tl 2 Gi Tele )
2
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Sistem Distribusi Listrik
Bagian dari sistem tenaga listrik yang paling dekat dengan pelanggan
adalah sistem distribusi. Sistem distribusi juga merupakan bagian yang paling
banyak mengalami gangguan sehingga konsentrasi atau fokus utama dalam
operasi sistem tenaga listrik pada sistem distribusi adalah mengatasi gangguan [2].
One-Line Diagram suatu sistem distribusi dapat ditunjukkan pada Gambar
2.1.
Jaringan Tegangan Menengah (JTM)
Circuit Breaker
Sekering T.M.
Trafo Distribusi
Sakelar T.R.
Rel T.R.
Sekering T.R.
Pelanggan
Gambar 2. 1 Sistem Distribusi Tenaga Listrik
Baik Jaringan Tegangan Menengah (JTM) maupun Jaringan Tegangan
Rendah (JTR) pada umumnya beroperasi secara radial yang disebut dengan
jaringan radial. Dinamakan jaringan radial karena daya pada saluran ini diambil
secara radial dari suatu sumber jaringan kemudian dibagi dalam bentuk cabang ke
setiap titik beban seperti digambarkan pada Gambar 2.2.
5
Universitas Sumatera Utara
Circuit Breaker
Penyulang Utama
Penyulang Lateral
Penyulang Sublateral
Beban
Penyulang Sekunder
Gambar 2. 2 Jaringan Distribusi Radial
Jaringan distribusi radial ini mempunyai beberapa kelebihan dan kerugian.
Kelebihan yang dimiliki oleh jaringan radial ini diantaranya adalah sebagai
berikut :
Memiliki konfigurasi yang sederhana.
Biaya investasi yang relatif lebih murah dibandingkan dengan
konfigurasi jaringan lain.
Sedangkan kerugian yang disebabkan oleh penggunaan jaringan distribusi
tipe radial ini adalah sebagai berikut :
Jatuh tegangan yang terdapat pada jaringan dan rugi daya relatif besar.
Keandalan pelayanan menjadi berkurang dikarenakan hanya terdapat
satu saluran sehingga jika terjadi gangguan sistem akan mengalami
pemadaman secara total.
6
Universitas Sumatera Utara
2.2
Distributed Generation (DG)
Distributed Generation (DG) adalah sebuah pembangkit yang terletak di
daerah sistem distribusi ataupun pada daerah dekat beban [3]. Berbeda dengan
pembangkit biasa yang secara umum dihubungkan ke saluran transmisi dan letak
pembangkit yang sangat jauh dari beban, Distributed Generation (DG) tidak
terhubung ke saluran transmisi dan hanya terhubung ke saluran distribusi bahkan
pembangkit dapat berada di beban itu sendiri.
Distributed Generation (DG) memiliki rating berdasarkan definisi yang
diperoleh berdasarkan literatur. Rating maksimum yang dapat dikoneksikan pada
sebuah sistem distribusi tergantung pada kapasitas dari sistem distribusi tersebut.
Meskipun tidak ada ketentuan yang pasti untuk menentukan klasifikasi tingkat
dari Distributed Generation (DG), namun berdasarkan besar daya yang
dihasilkan, dapat disimpulkan bahwa klasifikasi Distributed Generation (DG)
dibagi atas [3] :
Micro
: < 5 kW
Small
: 5 kW sampai dengan < 5 MW
Medium
: 5 MW sampai dengan 50 MW
Large
: 50 MW sampai dengan ~ 300 MW
Struktur sistem kelistrikan konvensional dan sistem kelistrikan dengan
Distributed Generation (DG) ditunjukkan pada Gambar 2.3. Kehadiran DG
berdampak pada sistem distribusi. Penambahan pembangkit lokal dapat merubah
arah aliran daya secara mendasar dan membuat aliran daya tersebut tidak searah
lagi.
7
Universitas Sumatera Utara
(a) Sistem Kelistrikan Konvensional
(b) Sistem Kelistrikan Dengan Distributed Generation (DG)
Gambar 2.3 Struktur Sistem Kelistrikan Konvensional dan Sistem
Kelistrikan Dengan DG
8
Universitas Sumatera Utara
Interkoneksi Distributed Generation (DG) kedalam jaringan distribusi
diharapkan dapat meningkatkan kemampuan transfer daya maksimum pada sistem
distribusi. Kemungkinan gangguan yang terjadi pada suatu sistem tenaga listrik
dapat mempengaruhi ketahanan kondisi operasi sistem sehingga terjadi
pemadaman total pada sistem distribusi. DG yang terhubung ke sistem distribusi
kemungkinan dapat mempertahankan kondisi operasi sistem sehingga dapat
mencegah adanya pemadaman secara keseluruhan [4].
2.3
Stabilitas Sistem Tenaga Listrik
Stabilitas sistem tenaga listrik adalah kemampuan sistem tenaga listrik
untuk kembali stabil ke kondisi awal tertentu, setelah mengalami suatu gangguan.
Integritas sistem harus dipertahankan tetap utuh tanpa adanya pemutusan
generator atau beban. Pemutusan generator atau beban dilakukan untuk
mempertahankan keadaan operasi sistem dan untuk mengisolasi peralatan yang
terkena gangguan.
Sistem tenaga listrik merupakan sistem yang beroperasi dengan perubahan
beban, keluaran generator, dan parameter operasi lain yang berubah secara
kontinu. Ketika suatu sistem mengalami gangguan transient, kestabilan sistem
bergantung pada jenis gangguan dan juga keadaan operasi dimulai. Gangguan
mungkin kecil atau besar, gangguan kecil dalam bentuk perubahan beban yang
terjadi terus menerus, dan sistem akan menyesuaikan terhadap perubahan beban
tersebut. Suatu sistem harus mampu beroperasi dengan baik dalam keadaan beban
berubah-ubah sesuai dengan permintaan beban. Suatu sistem juga harus mampu
bertahan terhadap gangguan besar seperti hubung singkat pada jaringan transmisi
dan lepasnya generator.
Pada sistem tenaga listrik yang stabil ketika mengalami gangguan transien
akan mencapai keadaan stabil dengan seluruh sistem tetap utuh dan sistem
kembali ke keadaan normal melalui tindakan dari pengendali otomatis dan
operator. Sebaliknya, pada sistem yang tidak stabil hal tersebut akan
menyebabkan kondisi lepas kendali seperti penurunan secara progresif pada
9
Universitas Sumatera Utara
tegangan bus. Kondisi sistem yang tidak stabil dapat menimbulkan pemadaman
dalam porsi yang besar pada sistem tenaga listrik [5].
Analisis kestabilan biasanya digolongkan kedalam tiga jenis, tergantung
pada sifat dan besarnya gangguan yaitu [6] :
a) Kestabilan keadaan tetap
Kestabilan keadaan tetap adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk
menerima gangguan kecil yang terjadi disekitar titik keseimbangan pada kondisi
tetap. Kestabilan ini tergantung pada karakteristik komponen yang terdapat pada
sistem tenaga listrik antara lain: pembangkit, beban, jaringan transmisi, dan
kontrol sistem itu sendiri. Model pembangkit yang digunakan adalah pembangkit
yang sederhana (sumber tegangan konstan) karena hanya menyangkut gangguan
kecil disekitar titik keseimbangan.
b) Kestabilan dinamis
Kestabilan dinamis adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk kembali
ke titik keseimbangan setelah timbul gangguan yang relatif kecil secara tiba-tiba
dalam waktu yang lama. Analisa kestabilitan dinamis lebih komplek karena juga
memasukkan komponen kontrol otomatis dalam pengoperasiannya.
c) Kestabilan peralihan
Kestabilitan peralihan adalah kemampuan sistem untuk mencapai titik
keseimbangan/ sinkronisasi setelah mengalami gangguan yang besar sehingga
sistem kehilangan stabilitas karena gangguan terjadi diatas kemampuan sistem.
Analisis kestabilan peralihan merupakan analisis yang utama untuk
menelaah perilaku sistem daya misalnya gangguan yang berupa :
Perubahan beban yang mendadak karena terputusnya unit pembangkit.
Perubahan pada jaringan transmisi misalnya gangguan hubung singkat
atau pemutusan saklar (switching).
10
Universitas Sumatera Utara
2.4
Klasifikasi Stabilitas Sistem Tenaga Listrik
Stabilitas sistem tenaga adalah suatu masalah, namun tidak praktis untuk
menangani hal tersebut. Kestidakstabilan dari sistem dapat terjadi dalam berbagai
bentuk dan dipengaruhi oleh berbagai faktor. Analisis dari berbagai stabilitas,
termasuk
mengidentifikasi
faktor
penting
yang
berkontribusi
terhadap
ketidakstabilan dan merancang metode untuk meningkatkan operasi yang stabil.
Gambar 2.4 berikut menjelaskan klasifikasi stabilitas sistem tenaga dalam
berbagai kategori dan sub kategori yang mungkin terjadi dalam sistem [7].
Stabilitas Sistem
Tenaga
Stabilitas Sudut Rotor
Stabilitas Signal
Kecil
Stabilitas
Peralihan
Stabilitas
Jangka Pendek
Stabilitas Tegangan
Stabilitas Frekuensi
Stabilitas
Gangguan Kecil
Stabilitas
Gangguan Besar
Stabilitas Jangka
Pendek
Stabilitas Jangka
Panjang
Stabilitas Jangka
Pendek
Stabilitas Jangka
Panjang
Gambar 2.4 Klasifikasi Stabilitas Sistem Tenaga
Stabilitas sudut rotor mengacu pada kemampuan mesin sinkron dari sistem
tenaga untuk tetap saling berhubungan (sinkron) setelah mengalami
gangguan. Ketidakstabilan yang merupakan akibat terjadinya peningkatan
ayunan sudut beberapa generator, menyebabkan kehilangan sinkron
dengan generator lainnya.
Stabilitas frekuensi mengacu pada kemampuan sistem tenaga untuk
mempertahankan frekuensi stabil karena gangguan pada sistem yang
menghasilkan
Ketidakstabilan
ketidakseimbangan
dapat
antara
mengakibatkan
generator
terjadi
dan
ayunan
beban.
frekuensi
berkelanjutan, menyebabkan trip unit pembangkit atau beban.
11
Universitas Sumatera Utara
Stabilitas tegangan mengacu pada kemampuan sistem tenaga untuk
mempertahankan tegangan stabil pada semua bus dalam sistem setelah
mengalami gangguan mulai saat dioperasikan. Ketidakstabilan dapat
terjadi akibat jatuh atau kenaikan tegangan dari beberapa bus.
2.5
Stabilitas Sudut Rotor
Stabilitas sudut rotor merupakan kemampuan mesin sinkron yang
terinterkoneksi dalam sebuah sistem tenaga listrik untuk tetap berada dalam
keadaan sinkron dibawah kondisi operasi setelah mengalami gangguan. Hal ini
bergantung pada kemampuan untuk mempertahankan atau mengembalikan
kesetimbangan antara momen putar elektromagnetik dan mekanik masing-masing
mesin sinkron pada sistem. Ketidakstabilan dapat menyebabkan terjadinya
kenaikan sudut ayunan beberapa generator menuju kehilangan sinkronisasinya
dengan generator lain [7]. Pengaruh dari kemampuan mesin sinkron yang
terinterkoneksi pada stabilitas transien dapat terlihat pada Gambar 2.5, yaitu [1] :
Penyimpangan maksimum kecepatan rotor yang terjadi setelah generator
diberi gangguan.
Lamanya osilasi yaitu interval waktu antara sebelum dan sesudah
gangguan terjadi.
Gambar 2.5 Grafik osilasi stabilitas kecepatan rotor
12
Universitas Sumatera Utara
Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu mesin sinkron didasarkan
pada prinsip dasar dinamika yang menyatakan bahwa momen-putar percepatan
adalah hasil kali dari momen-kelambanan (moment of inertia) rotor dan
percepatan sudutnya, momen-putar mekanis Tm dan momen elektris Te dianggap
positif untuk generator sinkron. Ini berarti bahwa Tm adalah resultan momen
putar poros yang mempunyai kecenderungan untuk mempercepat rotor dalam arah
perputaran θm yang positif. Model dinamis dari generator sinkron dimana rotor
diputar oleh penggerak mula terlihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Model dinamis generator
Momen pada rotor generator (T) adalah sama dengan perkalian momen
inersia (J) dengan percepatan sudut (α), yaitu [8] :
T = Jα .................................................................................................(2.1)
T=J
d²
dt²
θ
.....................................................................................(2.2)
Dalam keadaan transient (gangguan), akan terjadi percepatan pada rotor sehingga
terjadi perbedaan antara momen mekanis (Tm) dengan momen elektromagnetik
(Te) yaitu :
T = Ta = Tm – Te ...............................................................................(2.3)
Dalam keadaan kondisi stabil (normal) momen percepatan (Ta) = 0. Dalam
keadaan ini tidak ada percepatan atau perlambatan yang terjadi terhadap massa
rotor dan kecepatan tetap resultan merupakan kecepatan sinkron, maka momen
input dan momen output sama besar, yaitu :
Tm = Te ...............................................................................................(2.4)
Dengan substitusi Persamaan (2.3) ke (2.2), diperoleh :
13
Universitas Sumatera Utara
J
d²
θ = Ta = Tm – Te ...................................................................(2.5)
d²
θm = Ta = Tm – Te ...............................................................(2.6)
dt²
Jika perpindahan sudut rotor adalah θm, maka Persamaan (2.5) dapat ditulis,
J
dt²
Dan perpindahan sudut rotor setiap waktu adalah,
θm = ωs t + δ .................................................................................(2.7)
ωs
Dimana :
δ
= Kecepatan
=
sinkron dari rotor generator (rad/det)
Sudut torsi atau posisi sumbu rotor terhadap sumbu medan
stator dalam kondisi normal
Kemudian Persamaan (2.7) dideferensialkan terhadap waktu dua kali berturut –
turut, diperoleh :
d
Dan
dt
d²
dt²
θm = ωs +
θm =
d²
dt²
d
dt
δ
δ
...................................................................(2.8)
.........................................................................(2.9)
Kemudian substitusikan Persamaan (2.9) ke Persamaan (2.5), diperoleh :
J
d²
dt²
δ = Ta = Tm – Te .................................................................(2.10)
Kalikan Persamaan (2.10) ini dengan kecepatan sudut rotor (ωm) , maka
diperoleh :
atau
Jωm
M
Dimana :
d²
dt²
d²
dt²
δ = Taωm = Tmωm – Teωm ........................................(2.11)
δ = Pa = Pm – Pe ...............................................................(2.12)
M = Momentum sudut dari rotor
Pa = Daya percepatan dari rotor generator (MW)
Pm = Daya input mekanis dari rotor generator (MW)
Pe = Daya output listrik dari rotor generator (MW)
Persamaan (2.12) diatas adalah model dinamis dari generator atau disebut juga
dengan persamaan ayunan dari generator. Pada persamaan ayunan itu daya
mekanis dari penggerak mula Pm akan dianggap konstan. Hal ini membuat
14
Universitas Sumatera Utara
keluaran daya listrik Pe akan menentukan apakah rotor akan mengalami
percepatan, perlambatan, atau tetap pada kecepatan sinkron. Bila Pe sama dengan
Pm dikatakan mesin bekerja pada kecepatan sinkron keadaan tetap. Bila Pe
berubah dari nilai rotornya dikatakan menyimpang dari kecepatan sinkron.
Perubahan pada Pe ditentukan oleh keadaan pada jala-jala transmisi dan distribusi
listrik serta beban pada sistem ke mana generator itu mencatu daya. Gangguan
jaringan listrik yang disebabkan oleh perubahan yang hebat, atau oleh bekerjanya
pemutus rangkaian, dapat menyebabkan keluaran generator Pe berubah dengan
cepat sehingga menimbulkan peralihan (transient) elektromekanis [9].
2.6
Stabilitas Frekuensi
Stabilitas frekuensi merupakan kemampuan sebuah sistem tenaga listrik
untuk mempertahankan frekuensi dengan kisaran nominal mengikuti gangguan
sistem
yang
menghasilkan
ketidakseimbangan
yang
signifikan
antara
pembangkitan dan beban. Hal ini bergantung pada kemampuan untuk
mengembalikan keseimbangan antara sistem beban dan pembangkitan dengan
meminimalisasi pelepasan/kehilangan beban.
Ketidakstabilan frekuensi dapat dicegah berdasarkan karakteristik dari
proses peralatan pengaman yang aktif dalam beberapa detik seperti respon
underfrekuensi pelepasan beban dan kontrol dari generator yang bisa terjadi
dalam puluhan detik sesuai respon dari penggerak utama. Oleh karena itu, seperti
yang diklasifikasikan pada Gambar 2.4, stabilitas frekuensi mungkin menjadi
fenomena jangka pendek atau fenomena jangka panjang. Contoh ketidakstabilan
frekuensi jangka pendek adalah gangguan pada suatu system yang cukup dengan
underfrequency pelepasan beban dalam beberapa detik sehingga frekuensi
kembali normal walaupun terjadi pemadaman sebagian sistem. Di sisi lain, situasi
fenomena jangka panjang di mana ketidakstabilan frekuensi disebabkan oleh
kontrol turbin yang mengalami overspeed sehingga kontrol dapat dinormalkan
selama waktu puluhan detik hingga beberapa menit [5].
Karakteristik putaran generator dapat mempengaruhi frekuensi suatu
sistem. Perputaran generator dapat diatur dengan pengaturan kopel pemutar.
15
Universitas Sumatera Utara
Hubungan antara Kopel mekanis penggerak generator dengan perputaran
generator ditunjukkan berdasarkan persamaan ayunan dari generator. Jika
frekuensi yang dihasilkan generator adalah :
f=
w
2π
..........................................................................................(2.13)
Hal ini berarti bahwa pengaturan frekuensi dalam sistem berarti pula pengaturan
kopel penggerak generator atau juga pengaturan daya aktif dari generator.
Penambahan kopel pemutar generator memerlukan tambahan bahan bakar pada
unit pembangkit. Penambahan kopel pemutar generator ini berbanding lurus
dengan produksi MWH. Dengan kata lain bahwa pengaturan frekuensi sistem
adalah pengaturan pemberian bahan bakar pada pembangkit. Pengaturan
pemberian bahan bakar atau air tersebut diatas dilakukan oleh governor unit
pembangkit.
Reaksi dari keadaan governor ini dapat terjadi tidak stabil yang terus
menerus berosilasi sampai keadaan yang langsung stabil tanpa osilasi yang
ditunjukkan pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Respons governor terhadap perubahan beban
Dari gambar diketahui bahwa pada saat t = t0 ada penambahan beban
sehingga frekuensi menurun menurut garis a. Pada saat t = t1 governor mulai
beroperasi dengan mengadakan pengaturan primer sampai t = t2 dengan tercapai
frekuensi f1. Pada saat t = t3 dilakukan pengaturan sekunder sehingga frekuensi
kembali menjadi t4. Besarnya Δf tergantung kepada penyetelan speed droop
governor.
16
Universitas Sumatera Utara
Sifat governor yang dapat stabil tetapi tidak dapat mengembalikan nilai
frekuensi ke nilai frekuensi semula. Hal itu menunjukkan bahwa governor
mempunyai speed droop. Makin kecil speed droop dari governor makin peka
governor
tersebut
terhadap
perubahan
beban
tetapi
juga
lebih
besar
kemungkinannya untuk tidak stabil. Jadi dalam sistem yang terdiri dari banyak
unit pembangkit apabila terjadi perubahan beban maka unit pembangkit yang
mempunyai speed droop kecil yang mengalami penambahan beban yang lebih
besar daripada unit pembangkit yang mempunyai speed droop besar [2].
2.6
Stabilitas Tegangan
Stabilitas tegangan merupakan kemampuan sistem tenaga listrik untuk
mempertahankan tegangan pada seluruh bus dalam sistem yang berada dibawah
kondisi operasi normal setelah mengalami gangguan. Ketidakstabilan mungkin
terjadi dalam bentuk kenaikan atau penurunan tegangan pada beberapa bus secara
progresif. Akibat dari ketidakstabilan tegangan adalah lepasnya beban pada area
dimana tegangan mencapai nilai rendah yang tidak dapat diterima atau kehilangan
integritas sistem tenaga listrik.
Faktor utama penyebab ketidakstabilan tegangan biasanya adalah jatuh
tegangan yang terjadi ketika daya aktif dan reaktif mengalir melalui reaktansi
induktif di jaringan transmisi. Hal ini membatasi kemampuan jaringan transmisi
untuk mengirim daya. Transfer daya akan semakin terbatas ketika beberapa
generator mencapai batas kemampuan daya reaktifnya. Pemicu utama
ketidakstabilan tegangan adalah beban. Dalam merespon sebuah gangguan, daya
yang dikonsumsi beban dipulihkan oleh aksi dari regulator tegangan. Pemulihan
beban meningkatkan tekanan pada jaringan tegangan tinggi menyebabkan lebih
banyak
pengurangan
tegangan.
Situasi
tersebut
menyebabkan
terjadi
ketidakstabilan tegangan ketika beban dinamis berusaha memulihkan konsumsi
daya diluar kemampuan sistem transmisi dan pembangkit yang terhubung.
Stabilitas tegangan dibagi menjadi dua kategori, yaitu :
17
Universitas Sumatera Utara
a. Stabilitas tegangan gangguan besar dikaitkan dengan kemampuan suatu
sistem untuk mengendalikan tegangan mengikuti gangguan besar, seperti
gangguan sistem, lepasnya pembangkitan, dan hubung singkat. Kemampuan
ini ditentukan oleh karakteristik antara beban dengan sistem, serta interaksi
dari sistem proteksi dan kendali kontinu. Rentang waktu studinya dari
beberapa detik hingga puluhan menit. Oleh karena itu, simulasi dinamis
jangka panjang dibutuhkan untuk analisa.
b. Stabilitas tegangan gangguan kecil terkait hubungannya dengan kemampuan
sistem untuk mengendalikan tegangan mengikuti gangguan kecil seperti
kenaikan beban sistem. Bentuk stabilitas ini ditentukan oleh karakteristik
beban dan kendali kontinyu. Konsep ini berguna untuk menentukan
bagaimana tegangan sistem akan merespon terhadap perubahan kecil pada
sistem setiap saat. Proses dasar yang berkontribusi terhadap stabilitas
tegangan gangguan kecil adalah keadaan stabil alami. Kriteria untuk stabilitas
tegangan gangguan kecil adalah pada kondisi operasi untuk setiap bus dalam
sistem, nilai tegangan bus meningkat saat injeksi daya reaktif pada bus yang
sama meningkat. Sebuah sistem dikatakan tidak stabil tegangannya jika untuk
minimal satu bus dalam sistem, nilai tegangan bus menurun ketika injeksi
daya reaktif pada bus yang sama meningkat.
Rentang waktu untuk masalah stabilitas tegangan bervariasi dari beberapa
detik hingga puluhan menit. Sehingga, stabilitas tegangan mungkin merupakan
fenomena jangka panjang atau jangka pendek [7]. Ketidakstabilan sudut rotor dan
ketidakstabilan tegangan berjalan beriringan. Stabilitas tegangan berkaitan dengan
daerah beban dan karakteristik beban. Stabilitas sudut rotor berhubungan dengan
pembangkit listrik kecil yang terintegrasi dengan sebuah sistem besar melalui
saluran transmisi yang panjang. Singkatnya, secara mendasar, stabilitas tegangan
merupakan stabilitas beban, sedangkan stabilitas sudut rotor merupakan stabilitas
generator. Sehingga apabila terjadi jatuh tegangan pada sebuah sistem transmisi
yang jauh dari beban, hal itu merupakan ketidakstabilan sudut rotor. Jika jatuh
tegangan terjadi pada daerah beban, hal tersebut sebagian besar disebabkan oleh
masalah ketidakstabilan tegangan [5].
18
Universitas Sumatera Utara
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Sistem Distribusi Listrik
Bagian dari sistem tenaga listrik yang paling dekat dengan pelanggan
adalah sistem distribusi. Sistem distribusi juga merupakan bagian yang paling
banyak mengalami gangguan sehingga konsentrasi atau fokus utama dalam
operasi sistem tenaga listrik pada sistem distribusi adalah mengatasi gangguan [2].
One-Line Diagram suatu sistem distribusi dapat ditunjukkan pada Gambar
2.1.
Jaringan Tegangan Menengah (JTM)
Circuit Breaker
Sekering T.M.
Trafo Distribusi
Sakelar T.R.
Rel T.R.
Sekering T.R.
Pelanggan
Gambar 2. 1 Sistem Distribusi Tenaga Listrik
Baik Jaringan Tegangan Menengah (JTM) maupun Jaringan Tegangan
Rendah (JTR) pada umumnya beroperasi secara radial yang disebut dengan
jaringan radial. Dinamakan jaringan radial karena daya pada saluran ini diambil
secara radial dari suatu sumber jaringan kemudian dibagi dalam bentuk cabang ke
setiap titik beban seperti digambarkan pada Gambar 2.2.
5
Universitas Sumatera Utara
Circuit Breaker
Penyulang Utama
Penyulang Lateral
Penyulang Sublateral
Beban
Penyulang Sekunder
Gambar 2. 2 Jaringan Distribusi Radial
Jaringan distribusi radial ini mempunyai beberapa kelebihan dan kerugian.
Kelebihan yang dimiliki oleh jaringan radial ini diantaranya adalah sebagai
berikut :
Memiliki konfigurasi yang sederhana.
Biaya investasi yang relatif lebih murah dibandingkan dengan
konfigurasi jaringan lain.
Sedangkan kerugian yang disebabkan oleh penggunaan jaringan distribusi
tipe radial ini adalah sebagai berikut :
Jatuh tegangan yang terdapat pada jaringan dan rugi daya relatif besar.
Keandalan pelayanan menjadi berkurang dikarenakan hanya terdapat
satu saluran sehingga jika terjadi gangguan sistem akan mengalami
pemadaman secara total.
6
Universitas Sumatera Utara
2.2
Distributed Generation (DG)
Distributed Generation (DG) adalah sebuah pembangkit yang terletak di
daerah sistem distribusi ataupun pada daerah dekat beban [3]. Berbeda dengan
pembangkit biasa yang secara umum dihubungkan ke saluran transmisi dan letak
pembangkit yang sangat jauh dari beban, Distributed Generation (DG) tidak
terhubung ke saluran transmisi dan hanya terhubung ke saluran distribusi bahkan
pembangkit dapat berada di beban itu sendiri.
Distributed Generation (DG) memiliki rating berdasarkan definisi yang
diperoleh berdasarkan literatur. Rating maksimum yang dapat dikoneksikan pada
sebuah sistem distribusi tergantung pada kapasitas dari sistem distribusi tersebut.
Meskipun tidak ada ketentuan yang pasti untuk menentukan klasifikasi tingkat
dari Distributed Generation (DG), namun berdasarkan besar daya yang
dihasilkan, dapat disimpulkan bahwa klasifikasi Distributed Generation (DG)
dibagi atas [3] :
Micro
: < 5 kW
Small
: 5 kW sampai dengan < 5 MW
Medium
: 5 MW sampai dengan 50 MW
Large
: 50 MW sampai dengan ~ 300 MW
Struktur sistem kelistrikan konvensional dan sistem kelistrikan dengan
Distributed Generation (DG) ditunjukkan pada Gambar 2.3. Kehadiran DG
berdampak pada sistem distribusi. Penambahan pembangkit lokal dapat merubah
arah aliran daya secara mendasar dan membuat aliran daya tersebut tidak searah
lagi.
7
Universitas Sumatera Utara
(a) Sistem Kelistrikan Konvensional
(b) Sistem Kelistrikan Dengan Distributed Generation (DG)
Gambar 2.3 Struktur Sistem Kelistrikan Konvensional dan Sistem
Kelistrikan Dengan DG
8
Universitas Sumatera Utara
Interkoneksi Distributed Generation (DG) kedalam jaringan distribusi
diharapkan dapat meningkatkan kemampuan transfer daya maksimum pada sistem
distribusi. Kemungkinan gangguan yang terjadi pada suatu sistem tenaga listrik
dapat mempengaruhi ketahanan kondisi operasi sistem sehingga terjadi
pemadaman total pada sistem distribusi. DG yang terhubung ke sistem distribusi
kemungkinan dapat mempertahankan kondisi operasi sistem sehingga dapat
mencegah adanya pemadaman secara keseluruhan [4].
2.3
Stabilitas Sistem Tenaga Listrik
Stabilitas sistem tenaga listrik adalah kemampuan sistem tenaga listrik
untuk kembali stabil ke kondisi awal tertentu, setelah mengalami suatu gangguan.
Integritas sistem harus dipertahankan tetap utuh tanpa adanya pemutusan
generator atau beban. Pemutusan generator atau beban dilakukan untuk
mempertahankan keadaan operasi sistem dan untuk mengisolasi peralatan yang
terkena gangguan.
Sistem tenaga listrik merupakan sistem yang beroperasi dengan perubahan
beban, keluaran generator, dan parameter operasi lain yang berubah secara
kontinu. Ketika suatu sistem mengalami gangguan transient, kestabilan sistem
bergantung pada jenis gangguan dan juga keadaan operasi dimulai. Gangguan
mungkin kecil atau besar, gangguan kecil dalam bentuk perubahan beban yang
terjadi terus menerus, dan sistem akan menyesuaikan terhadap perubahan beban
tersebut. Suatu sistem harus mampu beroperasi dengan baik dalam keadaan beban
berubah-ubah sesuai dengan permintaan beban. Suatu sistem juga harus mampu
bertahan terhadap gangguan besar seperti hubung singkat pada jaringan transmisi
dan lepasnya generator.
Pada sistem tenaga listrik yang stabil ketika mengalami gangguan transien
akan mencapai keadaan stabil dengan seluruh sistem tetap utuh dan sistem
kembali ke keadaan normal melalui tindakan dari pengendali otomatis dan
operator. Sebaliknya, pada sistem yang tidak stabil hal tersebut akan
menyebabkan kondisi lepas kendali seperti penurunan secara progresif pada
9
Universitas Sumatera Utara
tegangan bus. Kondisi sistem yang tidak stabil dapat menimbulkan pemadaman
dalam porsi yang besar pada sistem tenaga listrik [5].
Analisis kestabilan biasanya digolongkan kedalam tiga jenis, tergantung
pada sifat dan besarnya gangguan yaitu [6] :
a) Kestabilan keadaan tetap
Kestabilan keadaan tetap adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk
menerima gangguan kecil yang terjadi disekitar titik keseimbangan pada kondisi
tetap. Kestabilan ini tergantung pada karakteristik komponen yang terdapat pada
sistem tenaga listrik antara lain: pembangkit, beban, jaringan transmisi, dan
kontrol sistem itu sendiri. Model pembangkit yang digunakan adalah pembangkit
yang sederhana (sumber tegangan konstan) karena hanya menyangkut gangguan
kecil disekitar titik keseimbangan.
b) Kestabilan dinamis
Kestabilan dinamis adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk kembali
ke titik keseimbangan setelah timbul gangguan yang relatif kecil secara tiba-tiba
dalam waktu yang lama. Analisa kestabilitan dinamis lebih komplek karena juga
memasukkan komponen kontrol otomatis dalam pengoperasiannya.
c) Kestabilan peralihan
Kestabilitan peralihan adalah kemampuan sistem untuk mencapai titik
keseimbangan/ sinkronisasi setelah mengalami gangguan yang besar sehingga
sistem kehilangan stabilitas karena gangguan terjadi diatas kemampuan sistem.
Analisis kestabilan peralihan merupakan analisis yang utama untuk
menelaah perilaku sistem daya misalnya gangguan yang berupa :
Perubahan beban yang mendadak karena terputusnya unit pembangkit.
Perubahan pada jaringan transmisi misalnya gangguan hubung singkat
atau pemutusan saklar (switching).
10
Universitas Sumatera Utara
2.4
Klasifikasi Stabilitas Sistem Tenaga Listrik
Stabilitas sistem tenaga adalah suatu masalah, namun tidak praktis untuk
menangani hal tersebut. Kestidakstabilan dari sistem dapat terjadi dalam berbagai
bentuk dan dipengaruhi oleh berbagai faktor. Analisis dari berbagai stabilitas,
termasuk
mengidentifikasi
faktor
penting
yang
berkontribusi
terhadap
ketidakstabilan dan merancang metode untuk meningkatkan operasi yang stabil.
Gambar 2.4 berikut menjelaskan klasifikasi stabilitas sistem tenaga dalam
berbagai kategori dan sub kategori yang mungkin terjadi dalam sistem [7].
Stabilitas Sistem
Tenaga
Stabilitas Sudut Rotor
Stabilitas Signal
Kecil
Stabilitas
Peralihan
Stabilitas
Jangka Pendek
Stabilitas Tegangan
Stabilitas Frekuensi
Stabilitas
Gangguan Kecil
Stabilitas
Gangguan Besar
Stabilitas Jangka
Pendek
Stabilitas Jangka
Panjang
Stabilitas Jangka
Pendek
Stabilitas Jangka
Panjang
Gambar 2.4 Klasifikasi Stabilitas Sistem Tenaga
Stabilitas sudut rotor mengacu pada kemampuan mesin sinkron dari sistem
tenaga untuk tetap saling berhubungan (sinkron) setelah mengalami
gangguan. Ketidakstabilan yang merupakan akibat terjadinya peningkatan
ayunan sudut beberapa generator, menyebabkan kehilangan sinkron
dengan generator lainnya.
Stabilitas frekuensi mengacu pada kemampuan sistem tenaga untuk
mempertahankan frekuensi stabil karena gangguan pada sistem yang
menghasilkan
Ketidakstabilan
ketidakseimbangan
dapat
antara
mengakibatkan
generator
terjadi
dan
ayunan
beban.
frekuensi
berkelanjutan, menyebabkan trip unit pembangkit atau beban.
11
Universitas Sumatera Utara
Stabilitas tegangan mengacu pada kemampuan sistem tenaga untuk
mempertahankan tegangan stabil pada semua bus dalam sistem setelah
mengalami gangguan mulai saat dioperasikan. Ketidakstabilan dapat
terjadi akibat jatuh atau kenaikan tegangan dari beberapa bus.
2.5
Stabilitas Sudut Rotor
Stabilitas sudut rotor merupakan kemampuan mesin sinkron yang
terinterkoneksi dalam sebuah sistem tenaga listrik untuk tetap berada dalam
keadaan sinkron dibawah kondisi operasi setelah mengalami gangguan. Hal ini
bergantung pada kemampuan untuk mempertahankan atau mengembalikan
kesetimbangan antara momen putar elektromagnetik dan mekanik masing-masing
mesin sinkron pada sistem. Ketidakstabilan dapat menyebabkan terjadinya
kenaikan sudut ayunan beberapa generator menuju kehilangan sinkronisasinya
dengan generator lain [7]. Pengaruh dari kemampuan mesin sinkron yang
terinterkoneksi pada stabilitas transien dapat terlihat pada Gambar 2.5, yaitu [1] :
Penyimpangan maksimum kecepatan rotor yang terjadi setelah generator
diberi gangguan.
Lamanya osilasi yaitu interval waktu antara sebelum dan sesudah
gangguan terjadi.
Gambar 2.5 Grafik osilasi stabilitas kecepatan rotor
12
Universitas Sumatera Utara
Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu mesin sinkron didasarkan
pada prinsip dasar dinamika yang menyatakan bahwa momen-putar percepatan
adalah hasil kali dari momen-kelambanan (moment of inertia) rotor dan
percepatan sudutnya, momen-putar mekanis Tm dan momen elektris Te dianggap
positif untuk generator sinkron. Ini berarti bahwa Tm adalah resultan momen
putar poros yang mempunyai kecenderungan untuk mempercepat rotor dalam arah
perputaran θm yang positif. Model dinamis dari generator sinkron dimana rotor
diputar oleh penggerak mula terlihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Model dinamis generator
Momen pada rotor generator (T) adalah sama dengan perkalian momen
inersia (J) dengan percepatan sudut (α), yaitu [8] :
T = Jα .................................................................................................(2.1)
T=J
d²
dt²
θ
.....................................................................................(2.2)
Dalam keadaan transient (gangguan), akan terjadi percepatan pada rotor sehingga
terjadi perbedaan antara momen mekanis (Tm) dengan momen elektromagnetik
(Te) yaitu :
T = Ta = Tm – Te ...............................................................................(2.3)
Dalam keadaan kondisi stabil (normal) momen percepatan (Ta) = 0. Dalam
keadaan ini tidak ada percepatan atau perlambatan yang terjadi terhadap massa
rotor dan kecepatan tetap resultan merupakan kecepatan sinkron, maka momen
input dan momen output sama besar, yaitu :
Tm = Te ...............................................................................................(2.4)
Dengan substitusi Persamaan (2.3) ke (2.2), diperoleh :
13
Universitas Sumatera Utara
J
d²
θ = Ta = Tm – Te ...................................................................(2.5)
d²
θm = Ta = Tm – Te ...............................................................(2.6)
dt²
Jika perpindahan sudut rotor adalah θm, maka Persamaan (2.5) dapat ditulis,
J
dt²
Dan perpindahan sudut rotor setiap waktu adalah,
θm = ωs t + δ .................................................................................(2.7)
ωs
Dimana :
δ
= Kecepatan
=
sinkron dari rotor generator (rad/det)
Sudut torsi atau posisi sumbu rotor terhadap sumbu medan
stator dalam kondisi normal
Kemudian Persamaan (2.7) dideferensialkan terhadap waktu dua kali berturut –
turut, diperoleh :
d
Dan
dt
d²
dt²
θm = ωs +
θm =
d²
dt²
d
dt
δ
δ
...................................................................(2.8)
.........................................................................(2.9)
Kemudian substitusikan Persamaan (2.9) ke Persamaan (2.5), diperoleh :
J
d²
dt²
δ = Ta = Tm – Te .................................................................(2.10)
Kalikan Persamaan (2.10) ini dengan kecepatan sudut rotor (ωm) , maka
diperoleh :
atau
Jωm
M
Dimana :
d²
dt²
d²
dt²
δ = Taωm = Tmωm – Teωm ........................................(2.11)
δ = Pa = Pm – Pe ...............................................................(2.12)
M = Momentum sudut dari rotor
Pa = Daya percepatan dari rotor generator (MW)
Pm = Daya input mekanis dari rotor generator (MW)
Pe = Daya output listrik dari rotor generator (MW)
Persamaan (2.12) diatas adalah model dinamis dari generator atau disebut juga
dengan persamaan ayunan dari generator. Pada persamaan ayunan itu daya
mekanis dari penggerak mula Pm akan dianggap konstan. Hal ini membuat
14
Universitas Sumatera Utara
keluaran daya listrik Pe akan menentukan apakah rotor akan mengalami
percepatan, perlambatan, atau tetap pada kecepatan sinkron. Bila Pe sama dengan
Pm dikatakan mesin bekerja pada kecepatan sinkron keadaan tetap. Bila Pe
berubah dari nilai rotornya dikatakan menyimpang dari kecepatan sinkron.
Perubahan pada Pe ditentukan oleh keadaan pada jala-jala transmisi dan distribusi
listrik serta beban pada sistem ke mana generator itu mencatu daya. Gangguan
jaringan listrik yang disebabkan oleh perubahan yang hebat, atau oleh bekerjanya
pemutus rangkaian, dapat menyebabkan keluaran generator Pe berubah dengan
cepat sehingga menimbulkan peralihan (transient) elektromekanis [9].
2.6
Stabilitas Frekuensi
Stabilitas frekuensi merupakan kemampuan sebuah sistem tenaga listrik
untuk mempertahankan frekuensi dengan kisaran nominal mengikuti gangguan
sistem
yang
menghasilkan
ketidakseimbangan
yang
signifikan
antara
pembangkitan dan beban. Hal ini bergantung pada kemampuan untuk
mengembalikan keseimbangan antara sistem beban dan pembangkitan dengan
meminimalisasi pelepasan/kehilangan beban.
Ketidakstabilan frekuensi dapat dicegah berdasarkan karakteristik dari
proses peralatan pengaman yang aktif dalam beberapa detik seperti respon
underfrekuensi pelepasan beban dan kontrol dari generator yang bisa terjadi
dalam puluhan detik sesuai respon dari penggerak utama. Oleh karena itu, seperti
yang diklasifikasikan pada Gambar 2.4, stabilitas frekuensi mungkin menjadi
fenomena jangka pendek atau fenomena jangka panjang. Contoh ketidakstabilan
frekuensi jangka pendek adalah gangguan pada suatu system yang cukup dengan
underfrequency pelepasan beban dalam beberapa detik sehingga frekuensi
kembali normal walaupun terjadi pemadaman sebagian sistem. Di sisi lain, situasi
fenomena jangka panjang di mana ketidakstabilan frekuensi disebabkan oleh
kontrol turbin yang mengalami overspeed sehingga kontrol dapat dinormalkan
selama waktu puluhan detik hingga beberapa menit [5].
Karakteristik putaran generator dapat mempengaruhi frekuensi suatu
sistem. Perputaran generator dapat diatur dengan pengaturan kopel pemutar.
15
Universitas Sumatera Utara
Hubungan antara Kopel mekanis penggerak generator dengan perputaran
generator ditunjukkan berdasarkan persamaan ayunan dari generator. Jika
frekuensi yang dihasilkan generator adalah :
f=
w
2π
..........................................................................................(2.13)
Hal ini berarti bahwa pengaturan frekuensi dalam sistem berarti pula pengaturan
kopel penggerak generator atau juga pengaturan daya aktif dari generator.
Penambahan kopel pemutar generator memerlukan tambahan bahan bakar pada
unit pembangkit. Penambahan kopel pemutar generator ini berbanding lurus
dengan produksi MWH. Dengan kata lain bahwa pengaturan frekuensi sistem
adalah pengaturan pemberian bahan bakar pada pembangkit. Pengaturan
pemberian bahan bakar atau air tersebut diatas dilakukan oleh governor unit
pembangkit.
Reaksi dari keadaan governor ini dapat terjadi tidak stabil yang terus
menerus berosilasi sampai keadaan yang langsung stabil tanpa osilasi yang
ditunjukkan pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Respons governor terhadap perubahan beban
Dari gambar diketahui bahwa pada saat t = t0 ada penambahan beban
sehingga frekuensi menurun menurut garis a. Pada saat t = t1 governor mulai
beroperasi dengan mengadakan pengaturan primer sampai t = t2 dengan tercapai
frekuensi f1. Pada saat t = t3 dilakukan pengaturan sekunder sehingga frekuensi
kembali menjadi t4. Besarnya Δf tergantung kepada penyetelan speed droop
governor.
16
Universitas Sumatera Utara
Sifat governor yang dapat stabil tetapi tidak dapat mengembalikan nilai
frekuensi ke nilai frekuensi semula. Hal itu menunjukkan bahwa governor
mempunyai speed droop. Makin kecil speed droop dari governor makin peka
governor
tersebut
terhadap
perubahan
beban
tetapi
juga
lebih
besar
kemungkinannya untuk tidak stabil. Jadi dalam sistem yang terdiri dari banyak
unit pembangkit apabila terjadi perubahan beban maka unit pembangkit yang
mempunyai speed droop kecil yang mengalami penambahan beban yang lebih
besar daripada unit pembangkit yang mempunyai speed droop besar [2].
2.6
Stabilitas Tegangan
Stabilitas tegangan merupakan kemampuan sistem tenaga listrik untuk
mempertahankan tegangan pada seluruh bus dalam sistem yang berada dibawah
kondisi operasi normal setelah mengalami gangguan. Ketidakstabilan mungkin
terjadi dalam bentuk kenaikan atau penurunan tegangan pada beberapa bus secara
progresif. Akibat dari ketidakstabilan tegangan adalah lepasnya beban pada area
dimana tegangan mencapai nilai rendah yang tidak dapat diterima atau kehilangan
integritas sistem tenaga listrik.
Faktor utama penyebab ketidakstabilan tegangan biasanya adalah jatuh
tegangan yang terjadi ketika daya aktif dan reaktif mengalir melalui reaktansi
induktif di jaringan transmisi. Hal ini membatasi kemampuan jaringan transmisi
untuk mengirim daya. Transfer daya akan semakin terbatas ketika beberapa
generator mencapai batas kemampuan daya reaktifnya. Pemicu utama
ketidakstabilan tegangan adalah beban. Dalam merespon sebuah gangguan, daya
yang dikonsumsi beban dipulihkan oleh aksi dari regulator tegangan. Pemulihan
beban meningkatkan tekanan pada jaringan tegangan tinggi menyebabkan lebih
banyak
pengurangan
tegangan.
Situasi
tersebut
menyebabkan
terjadi
ketidakstabilan tegangan ketika beban dinamis berusaha memulihkan konsumsi
daya diluar kemampuan sistem transmisi dan pembangkit yang terhubung.
Stabilitas tegangan dibagi menjadi dua kategori, yaitu :
17
Universitas Sumatera Utara
a. Stabilitas tegangan gangguan besar dikaitkan dengan kemampuan suatu
sistem untuk mengendalikan tegangan mengikuti gangguan besar, seperti
gangguan sistem, lepasnya pembangkitan, dan hubung singkat. Kemampuan
ini ditentukan oleh karakteristik antara beban dengan sistem, serta interaksi
dari sistem proteksi dan kendali kontinu. Rentang waktu studinya dari
beberapa detik hingga puluhan menit. Oleh karena itu, simulasi dinamis
jangka panjang dibutuhkan untuk analisa.
b. Stabilitas tegangan gangguan kecil terkait hubungannya dengan kemampuan
sistem untuk mengendalikan tegangan mengikuti gangguan kecil seperti
kenaikan beban sistem. Bentuk stabilitas ini ditentukan oleh karakteristik
beban dan kendali kontinyu. Konsep ini berguna untuk menentukan
bagaimana tegangan sistem akan merespon terhadap perubahan kecil pada
sistem setiap saat. Proses dasar yang berkontribusi terhadap stabilitas
tegangan gangguan kecil adalah keadaan stabil alami. Kriteria untuk stabilitas
tegangan gangguan kecil adalah pada kondisi operasi untuk setiap bus dalam
sistem, nilai tegangan bus meningkat saat injeksi daya reaktif pada bus yang
sama meningkat. Sebuah sistem dikatakan tidak stabil tegangannya jika untuk
minimal satu bus dalam sistem, nilai tegangan bus menurun ketika injeksi
daya reaktif pada bus yang sama meningkat.
Rentang waktu untuk masalah stabilitas tegangan bervariasi dari beberapa
detik hingga puluhan menit. Sehingga, stabilitas tegangan mungkin merupakan
fenomena jangka panjang atau jangka pendek [7]. Ketidakstabilan sudut rotor dan
ketidakstabilan tegangan berjalan beriringan. Stabilitas tegangan berkaitan dengan
daerah beban dan karakteristik beban. Stabilitas sudut rotor berhubungan dengan
pembangkit listrik kecil yang terintegrasi dengan sebuah sistem besar melalui
saluran transmisi yang panjang. Singkatnya, secara mendasar, stabilitas tegangan
merupakan stabilitas beban, sedangkan stabilitas sudut rotor merupakan stabilitas
generator. Sehingga apabila terjadi jatuh tegangan pada sebuah sistem transmisi
yang jauh dari beban, hal itu merupakan ketidakstabilan sudut rotor. Jika jatuh
tegangan terjadi pada daerah beban, hal tersebut sebagian besar disebabkan oleh
masalah ketidakstabilan tegangan [5].
18
Universitas Sumatera Utara