ANALISA POLA TINGKAH LAKU PERUBAHAN TEGANGAN PADA SINGLE MACHINE INFINITE BUS (SMIB) DENGAN METODA LINEAR QUADRATIC REGULATOR (LQR) (Studi Kasus : Sistem Kelistrikkan PT. PLN Wilayah Sumatera Barat).
ANALISA POLA TINGKAH LAKU PERUBAHAN
TEGANGAN PADA SINGLE MACHINE INFINITE BUS
(SMIB) DENGAN METODA LINEAR QUADRATIC
REGULATOR (LQR)
(Studi Kasus : Sistem Kelistrikkan PT. PLN Wilayah Sumatera
Barat)
TESIS
Sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Strata-2 (S2)
Pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Andalas
Oleh:
AIDIL DANAS
NIM. 1120952020
Dosen Pembimbing I:
SYAFII, Ph.D
NIP. 19740505 199802 1 001
Dosen Pembimbing II:
Dr. Ir. MUHAMMAD NURDIN
NIP. 19540222 198003 1 003
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG
2014
ABSTRACT
This study discusses the performance analysis, stability analysis and robustness analysis of
a single machine infinite bus system ( SMIB ) electric system West Sumatra . SMIB
system is an electrical power subsystem consisting of one or more generators are
connected to an infinite bus. SMIB system is a subsystem that most affect the performance
of the power system . The analysis includes performance analysis in the time domain,
frequency domain analysis of the performance, stability analysis and robustness analysis.
Performance, stability and robustness of a factor - an important factor that must be
considered in the operation of a single machine infinite bus system (SMIB). Performance,
stability and robustness of the power system will be disturbed if there is interference .
There are 2 types of disturbances that often occur in the operation of electric power
systems including transition disorders and minor annoyances . If these disorders continue
to occur continuously at any time will result in a change in the parameters - parameters in
the SMIB system , especially changes in voltage. Change parameter - these parameters can
lead to SMIB will be disrupted and the resulting system can no longer operate normally
after the crash. By using the method of Linear Quadratic Regulator ( LQR ), Linear
Quadratic Regulator method with weight function on the output ( LQRy ) and the data the data system of a single machine infinite bus (SMIB) electric system West Sumatra will
be analyzed performance, stability and robustness. The analysis shows that the
performance, stability and robustness of the system SMIB electric system West Sumatra
using the method of Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Regulator
methods with weight function on the output (LQRy) is better.
BAB I.
PENDAHULUAN
Pada bagian ini dijelaskan tentang latar belakang penelitian, tujuan penelitian,
manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan. Adapun penmbahasan dari
masing – masing sebagai berikut
1.1
Latar Belakang Penelitian
Energi listrik merupakan kebutuhan berbagai industri hingga kebutuhan rumah
tangga. Oleh karena itu diperlukan suatu pembangkit tenaga listrik yang kontinu
pelayanannya sehingga dapat memenuhi kebutuhan konsumen. Pusat - pusat pembangkit
listrik yang ada harus dapat selalu memenuhi kebutuhan beban yang berubah - ubah serta
daya yang tersedia dalam sistem tenaga listrik haruslah cukup untuk memenuhi kebutuhan
tenaga listrik dan pelanggan. Masalah yang unik dalam operasi sistem tenaga listrik adalah
daya yang dibangkitkan atau yang diproduksi haruslah selalu sama dengan daya yang
dikonsumsi oleh pemakai tenaga listrik yang secara teknis umumnya dikatakan sebagai
beban sistem. Daya yang tersedia tergantung kepada daya yang terpasang pada unit - unit
pembangkit dalam sistem dan dan juga tergantung dari kesiapan operasi unit tersebut.
Beberapa faktor seperti kerusakan dan pemeliharaan rutin menyebabkan unit pembangkit
tidak siap beroperasi.
Sistem tenaga listrik harus mampu menyediakan tenaga listrik bagi pelanggan
dengan tegangan yang konstan. Penyimpangan tegangan dari nilai nominal harus selalu
dalam batas toleransi yang diperbolehkan. Sehubungan dengan ini, maka untuk
mempertahankan tegangan dalam batas toleransi yang diperbolehkan, penyediaan atau
pembangkitan daya aktif dan reaktif dalam sistem harus disesuaikan dengan beban daya
aktif dan beban daya reaktif. Untuk menjaga tegangan tetap bekerja pada daerah titik
operasinya, maka dilakukan pengendalian eksitasi. Dalam sistem tenaga listrik, gangguan
ada yang bersifat peralihan (putusnya salah satu jaringan atau terjadinya hubung-singkat)
dan gangguan yang bersifat kecil, sehingga perlu menjaga kestabilan tegangan di sekitar
titik operasinya. Pada penelitian ini akan dianalisa tingkah laku perubahan tegangan
sistem tenaga listrik Single Machine Infinite Bus (SMIB) menggunakan metoda Linear
Quadratic Regulator (LQR). Metoda Linear Quadratic Regulator (LQR) ini terbagi atas 2
12
bahagian yaitu metoda Linear Quadratic Regulator dengan fungsi bobot pada state (LQR)
dan Metoda Linear Quadratic Regulator dengan fungsi bobot pada keluaran (LQRy).
Untuk metoda Linear Quadratic Regulator dengan fungsi bobot pada state (LQR) dikenal
dengan metoda MetodaLQR saja.
Beberapa penelitian yang berkaitan dengan perancangan kendali untuk sistem Single
Machine Infinite Bus (SMIB) diantaranya
Bedy Kharisma, Imam Robandi (2007),
dalam penelitiannya yang berjudul
Setting Parameter Single Machine Infinite Bus via Genetic Algorithm. Penelitian ini
mempresentasikan metoda penalaan parameter untuk mendapatkan performansi
yang optimum dari sebuah Single Machine Infinite Bus (SMIB) dengan
menggunakan Genetic Algorithm (GA).
Chalis Zamani (2009), dalam penelitiannya yang berjudul Desain Optimal PI based
Power System Stabilizer Menggunakan Particle Swarm Optimization. Penelitian ini
menjelaskan penggunaan aplikasi dari optimal PI sebagai Power System Stabilizer
pada sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB).
M. J. Yazdanpanah, M. Jalili-Kharaajoo (2003), dalam penelitiannya yang
berjudul Optimal Nonlinear Transient Control with Neuro-AVR of Single-Machine
Infinite-Bus Power Systems juga menjelaskan sistem kendali pada suatu sistem
Single Machine Infinite Bus (SMIB).
Penelitian ini merupakan perancangan tahap mula sistem kendali linier untuk
mengendalikan perubahan tegangan sistem tenaga listrik Single Machine Infinite Bus
(SMIB) dalam bentuk simulasi. Syarat menggunakan diatas adalah model sistem kendali
perubahan tegangan harus bersifat linier. Untuk mendapatkan model linier tersebut, model
sistem dilinierisasi di titik operasi tertentu. Dengan demikian diharapkan nantinya akan
diperoleh bahan informasi untuk perancangan pengendali perubahan tegangan Single
Machine Infinite Bus (SMIB) yang bersifat optimal.
1.2
Perumusan Masalah
Penelitian ini akan membahas hubungan antara variabel - variabel yang terkait
dengan analisa Single Machine Infinite Bus (SMIB). Hubungan variabel-variabel yang
13
terkait ini akan digunakan dalam analisa dan evaluasi performansi, kestabilan dan
kekokohan sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB) dengan menggunakan metoda
Linear Quadratic Regulator (LQR) dan metoda Linear Quadratic Regulator dengan fungsi
bobot pada keluaran (LQRy). Untuk mendapatkan sistem kendali yang optimal maka
beberapa hal yang dipertimbangkan adalah
o
o
Model yang digunakan adalah model sistem SMIB dan diformulasikan ke dalam
bentuk persamaan matematis.
Setelah model persamaan matematis diperoleh kemudian diformulasikan menjadi
persamaan gerak dari sistem ke dalam bentuk vektor matrik sehingga diperoleh
variabel keadaan dari persamaan gerak sistem yang merupakan besaran yang akan
diukur.
1.2
1.
2.
1.3
1.
Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian ini adalah
Untuk melakukan evaluasi performansi, kestabilan dan kekokohan tanggapan
perubahan tegangan Single Machine Infinite Bus (SMIB) pada sistem sistem
kelistrikkan wilayah Sumatera Barat.
Membandingkan hasil yang dicapai dengan tanpa dan dengan menggunakan metoda
Linear Quadratic Regulator (LQR).
Manfaat Penelitian
Penelitian ini memberikan manfaat antara lain
Hasil penelitian ini dapat dijadikan bahan informasi perancangan pengendali dengan
metoda Linear Quadratic Regulator (LQR) dan metoda Linear Quadratic Regulator
dengan fungsi bobot pada keluaran (LQRy) yang mengendalikan tanggapan
2.
perubahan tegangan sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB).
Memberikan konstribusi dalam model perbaikan kinerja sistem Single Machine
Infinite Bus (SMIB) dengan penerapan umpan balik optimal untuk pengendalian
perubahan tegangan.
14
1.4
1.
2.
Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah
Pada penelitian ini model sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB) bersifat linear
dan tidak berubah terhadap waktu.
Model sistem yang dilinierisasi adalah model sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air
(PLTA) Singkarak, Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Maninjau, Pembangkit
Listrik Tenaga Air (PLTA) Koto Panjang, Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)
3.
4.
1.6
Pauh Limo dan Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Ombilin.
Model sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB) dinyatakan dalam bentuk
persamaan keadaan.
Analisa dan simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Matlab.
Sistematika Penulisan
Adapun laporan penelitian ini disusun dengan sistematika sebagai berikut
BAB.I PENDAHULUAN
Pada bab ini berisikan latar belakang penelitian, tujuna penelitian, manfaat penelitian,
batasan masalah dan sistematika penulisan.
BAB.II
TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini menjelaskan sistem kendali, pemodelan sistem, analisa kestabilan, analisa
kekokohan, sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB), metoda Linear Quadratic
Regulator (LQR) dan metoda Linear Quadratic Regulator dengan fungsi bobot pada
keluaran (LQRy).
BAB.III METODOLOGI PENELITIAN
Pada bab ini berisikan diagram alir penelitian, langkah – langkah penelitian dan
perhitungan persamaan keadaan sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB) sistem
kelistrikkan wilayah Sumatera Barat.
BAB.IV ANALISA DAN PEMBAHASAN
Bab ini menjelaskan tentang analisa sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB) dengan
menggunakan metoda Linear Quadratic Regulator (LQR) dan metoda Linear Quadratic
Regulator dengan fungsi bobot pada keluaran (LQRy). Analisa dilakukan terdiri dari
15
analisa performansi dalam domain waktu, performansi dalam domain frekuensi, analisa
kestabilan dan analisa kekokohan. Hasil analisa sistem Single Machine Infinite Bus
(SMIB) dengan menggunakan metoda Linear Quadratic Regulator (LQR) dan metoda
Linear Quadratic Regulator dengan fungsi bobot pada keluaran (LQRy)
juga akan
dibandingkan dengan analisa sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB) tanpa metoda
Linear Quadratic Regulator (LQR).
BAB.V
PENUTUP
Bab ini berisikan kesimpulan dan saran dari penelitian ini.
16
TEGANGAN PADA SINGLE MACHINE INFINITE BUS
(SMIB) DENGAN METODA LINEAR QUADRATIC
REGULATOR (LQR)
(Studi Kasus : Sistem Kelistrikkan PT. PLN Wilayah Sumatera
Barat)
TESIS
Sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan Program Strata-2 (S2)
Pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Andalas
Oleh:
AIDIL DANAS
NIM. 1120952020
Dosen Pembimbing I:
SYAFII, Ph.D
NIP. 19740505 199802 1 001
Dosen Pembimbing II:
Dr. Ir. MUHAMMAD NURDIN
NIP. 19540222 198003 1 003
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS ANDALAS
PADANG
2014
ABSTRACT
This study discusses the performance analysis, stability analysis and robustness analysis of
a single machine infinite bus system ( SMIB ) electric system West Sumatra . SMIB
system is an electrical power subsystem consisting of one or more generators are
connected to an infinite bus. SMIB system is a subsystem that most affect the performance
of the power system . The analysis includes performance analysis in the time domain,
frequency domain analysis of the performance, stability analysis and robustness analysis.
Performance, stability and robustness of a factor - an important factor that must be
considered in the operation of a single machine infinite bus system (SMIB). Performance,
stability and robustness of the power system will be disturbed if there is interference .
There are 2 types of disturbances that often occur in the operation of electric power
systems including transition disorders and minor annoyances . If these disorders continue
to occur continuously at any time will result in a change in the parameters - parameters in
the SMIB system , especially changes in voltage. Change parameter - these parameters can
lead to SMIB will be disrupted and the resulting system can no longer operate normally
after the crash. By using the method of Linear Quadratic Regulator ( LQR ), Linear
Quadratic Regulator method with weight function on the output ( LQRy ) and the data the data system of a single machine infinite bus (SMIB) electric system West Sumatra will
be analyzed performance, stability and robustness. The analysis shows that the
performance, stability and robustness of the system SMIB electric system West Sumatra
using the method of Linear Quadratic Regulator (LQR) and Linear Quadratic Regulator
methods with weight function on the output (LQRy) is better.
BAB I.
PENDAHULUAN
Pada bagian ini dijelaskan tentang latar belakang penelitian, tujuan penelitian,
manfaat penelitian, batasan masalah dan sistematika penulisan. Adapun penmbahasan dari
masing – masing sebagai berikut
1.1
Latar Belakang Penelitian
Energi listrik merupakan kebutuhan berbagai industri hingga kebutuhan rumah
tangga. Oleh karena itu diperlukan suatu pembangkit tenaga listrik yang kontinu
pelayanannya sehingga dapat memenuhi kebutuhan konsumen. Pusat - pusat pembangkit
listrik yang ada harus dapat selalu memenuhi kebutuhan beban yang berubah - ubah serta
daya yang tersedia dalam sistem tenaga listrik haruslah cukup untuk memenuhi kebutuhan
tenaga listrik dan pelanggan. Masalah yang unik dalam operasi sistem tenaga listrik adalah
daya yang dibangkitkan atau yang diproduksi haruslah selalu sama dengan daya yang
dikonsumsi oleh pemakai tenaga listrik yang secara teknis umumnya dikatakan sebagai
beban sistem. Daya yang tersedia tergantung kepada daya yang terpasang pada unit - unit
pembangkit dalam sistem dan dan juga tergantung dari kesiapan operasi unit tersebut.
Beberapa faktor seperti kerusakan dan pemeliharaan rutin menyebabkan unit pembangkit
tidak siap beroperasi.
Sistem tenaga listrik harus mampu menyediakan tenaga listrik bagi pelanggan
dengan tegangan yang konstan. Penyimpangan tegangan dari nilai nominal harus selalu
dalam batas toleransi yang diperbolehkan. Sehubungan dengan ini, maka untuk
mempertahankan tegangan dalam batas toleransi yang diperbolehkan, penyediaan atau
pembangkitan daya aktif dan reaktif dalam sistem harus disesuaikan dengan beban daya
aktif dan beban daya reaktif. Untuk menjaga tegangan tetap bekerja pada daerah titik
operasinya, maka dilakukan pengendalian eksitasi. Dalam sistem tenaga listrik, gangguan
ada yang bersifat peralihan (putusnya salah satu jaringan atau terjadinya hubung-singkat)
dan gangguan yang bersifat kecil, sehingga perlu menjaga kestabilan tegangan di sekitar
titik operasinya. Pada penelitian ini akan dianalisa tingkah laku perubahan tegangan
sistem tenaga listrik Single Machine Infinite Bus (SMIB) menggunakan metoda Linear
Quadratic Regulator (LQR). Metoda Linear Quadratic Regulator (LQR) ini terbagi atas 2
12
bahagian yaitu metoda Linear Quadratic Regulator dengan fungsi bobot pada state (LQR)
dan Metoda Linear Quadratic Regulator dengan fungsi bobot pada keluaran (LQRy).
Untuk metoda Linear Quadratic Regulator dengan fungsi bobot pada state (LQR) dikenal
dengan metoda MetodaLQR saja.
Beberapa penelitian yang berkaitan dengan perancangan kendali untuk sistem Single
Machine Infinite Bus (SMIB) diantaranya
Bedy Kharisma, Imam Robandi (2007),
dalam penelitiannya yang berjudul
Setting Parameter Single Machine Infinite Bus via Genetic Algorithm. Penelitian ini
mempresentasikan metoda penalaan parameter untuk mendapatkan performansi
yang optimum dari sebuah Single Machine Infinite Bus (SMIB) dengan
menggunakan Genetic Algorithm (GA).
Chalis Zamani (2009), dalam penelitiannya yang berjudul Desain Optimal PI based
Power System Stabilizer Menggunakan Particle Swarm Optimization. Penelitian ini
menjelaskan penggunaan aplikasi dari optimal PI sebagai Power System Stabilizer
pada sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB).
M. J. Yazdanpanah, M. Jalili-Kharaajoo (2003), dalam penelitiannya yang
berjudul Optimal Nonlinear Transient Control with Neuro-AVR of Single-Machine
Infinite-Bus Power Systems juga menjelaskan sistem kendali pada suatu sistem
Single Machine Infinite Bus (SMIB).
Penelitian ini merupakan perancangan tahap mula sistem kendali linier untuk
mengendalikan perubahan tegangan sistem tenaga listrik Single Machine Infinite Bus
(SMIB) dalam bentuk simulasi. Syarat menggunakan diatas adalah model sistem kendali
perubahan tegangan harus bersifat linier. Untuk mendapatkan model linier tersebut, model
sistem dilinierisasi di titik operasi tertentu. Dengan demikian diharapkan nantinya akan
diperoleh bahan informasi untuk perancangan pengendali perubahan tegangan Single
Machine Infinite Bus (SMIB) yang bersifat optimal.
1.2
Perumusan Masalah
Penelitian ini akan membahas hubungan antara variabel - variabel yang terkait
dengan analisa Single Machine Infinite Bus (SMIB). Hubungan variabel-variabel yang
13
terkait ini akan digunakan dalam analisa dan evaluasi performansi, kestabilan dan
kekokohan sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB) dengan menggunakan metoda
Linear Quadratic Regulator (LQR) dan metoda Linear Quadratic Regulator dengan fungsi
bobot pada keluaran (LQRy). Untuk mendapatkan sistem kendali yang optimal maka
beberapa hal yang dipertimbangkan adalah
o
o
Model yang digunakan adalah model sistem SMIB dan diformulasikan ke dalam
bentuk persamaan matematis.
Setelah model persamaan matematis diperoleh kemudian diformulasikan menjadi
persamaan gerak dari sistem ke dalam bentuk vektor matrik sehingga diperoleh
variabel keadaan dari persamaan gerak sistem yang merupakan besaran yang akan
diukur.
1.2
1.
2.
1.3
1.
Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian ini adalah
Untuk melakukan evaluasi performansi, kestabilan dan kekokohan tanggapan
perubahan tegangan Single Machine Infinite Bus (SMIB) pada sistem sistem
kelistrikkan wilayah Sumatera Barat.
Membandingkan hasil yang dicapai dengan tanpa dan dengan menggunakan metoda
Linear Quadratic Regulator (LQR).
Manfaat Penelitian
Penelitian ini memberikan manfaat antara lain
Hasil penelitian ini dapat dijadikan bahan informasi perancangan pengendali dengan
metoda Linear Quadratic Regulator (LQR) dan metoda Linear Quadratic Regulator
dengan fungsi bobot pada keluaran (LQRy) yang mengendalikan tanggapan
2.
perubahan tegangan sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB).
Memberikan konstribusi dalam model perbaikan kinerja sistem Single Machine
Infinite Bus (SMIB) dengan penerapan umpan balik optimal untuk pengendalian
perubahan tegangan.
14
1.4
1.
2.
Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah
Pada penelitian ini model sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB) bersifat linear
dan tidak berubah terhadap waktu.
Model sistem yang dilinierisasi adalah model sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air
(PLTA) Singkarak, Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) Maninjau, Pembangkit
Listrik Tenaga Air (PLTA) Koto Panjang, Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)
3.
4.
1.6
Pauh Limo dan Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) Ombilin.
Model sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB) dinyatakan dalam bentuk
persamaan keadaan.
Analisa dan simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak Matlab.
Sistematika Penulisan
Adapun laporan penelitian ini disusun dengan sistematika sebagai berikut
BAB.I PENDAHULUAN
Pada bab ini berisikan latar belakang penelitian, tujuna penelitian, manfaat penelitian,
batasan masalah dan sistematika penulisan.
BAB.II
TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini menjelaskan sistem kendali, pemodelan sistem, analisa kestabilan, analisa
kekokohan, sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB), metoda Linear Quadratic
Regulator (LQR) dan metoda Linear Quadratic Regulator dengan fungsi bobot pada
keluaran (LQRy).
BAB.III METODOLOGI PENELITIAN
Pada bab ini berisikan diagram alir penelitian, langkah – langkah penelitian dan
perhitungan persamaan keadaan sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB) sistem
kelistrikkan wilayah Sumatera Barat.
BAB.IV ANALISA DAN PEMBAHASAN
Bab ini menjelaskan tentang analisa sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB) dengan
menggunakan metoda Linear Quadratic Regulator (LQR) dan metoda Linear Quadratic
Regulator dengan fungsi bobot pada keluaran (LQRy). Analisa dilakukan terdiri dari
15
analisa performansi dalam domain waktu, performansi dalam domain frekuensi, analisa
kestabilan dan analisa kekokohan. Hasil analisa sistem Single Machine Infinite Bus
(SMIB) dengan menggunakan metoda Linear Quadratic Regulator (LQR) dan metoda
Linear Quadratic Regulator dengan fungsi bobot pada keluaran (LQRy)
juga akan
dibandingkan dengan analisa sistem Single Machine Infinite Bus (SMIB) tanpa metoda
Linear Quadratic Regulator (LQR).
BAB.V
PENUTUP
Bab ini berisikan kesimpulan dan saran dari penelitian ini.
16