ANALISIS PERFORMANSI AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR

Jurnal Ilmiah Kopertis Wilayah IV
ANALISIS PERFORMANSI AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR (AVR) UNTUK
KESTABILAN TEGANGAN PADA MULTI MACHINE INVINITIF BUS
Agus Siswanto
Universitas 17 Agustus 1945 Cirebon
ABSTRAK - Kestabilan tegangan listrik dapat diatur menggunakan Automatic Voltage
Regulator (AVR) pada tegangan terminal generator Conventional Energy (CE). pengaturan
tegangan naik atau turun pada terminal generator tersebut dilakukan dengan mengatur suplai
dari arus eksitasi pada kumparan rotor. Pada AVR digital, pengaturan nilai arus eksitasi dapat
dilakukan dengan cara mengubah sudut penyalaan rangkaian trigger pada rangkaian
penyearah eksitasi pada generator yang terhubung pada infinitife bus. Untuk memperbaiki
performansi respon tegangan, AVR Digital menggunakan konsep PID kontroller atau Leadlag kontroller. Riset ini mensimulasikan dan menganalisis kinerja dari AVR digital yang
dimodelkan rangkaian AVR Digital menggunakan Simulink pada MATLAB. Dari hasil
analisis simulasi, diketahui nilai parameter optimal AVR Digital untuk pengaturan tegangan
secara efektif dan sistem stabil.
Kata kunci : Kestabilan, AVR, CE, PID kontroller.
ABSTRACT - The stability of the power supply voltage can be set using the Automatic
Voltage Regulator (AVR) on the terminal voltage generator Conventional Energy (CE).
Setting the voltage up or down on the generator terminals is done by adjusting the supply of
the excitation current to the rotor coil. In the digital AVR, setting the value of excitation
current can be done by changing the firing angle trigger circuit in the generator excitation
rectifier circuit connected to the infinitive bus. To improve performance voltage response,
Digital AVR using PID controller concept or Lead-lag controller. The research simulates and
analyzes the performance of digital AVR series AVR Digital modeled using Simulink in
MATLAB. From the analysis of the simulation, the known value of the optimal parameters for
the Digital AVR voltage regulation in an effective and stable system.
Keywords: Stability, AVR, CE, PID controller.
PENDAHULUAN
Fenomena supply daya listrik selama ini berasala dari CE yaitu PLTU, PLTA, PLTD dan
yang lain. Kebutuhan energy listrik selalu berubah tiap waktu, untuk tetap menyalurkan
energy listrik ke beban. Kestabilan generator dalam menyuplai daya listrik dipengaruhi oleh
banyak faktor, salah satunya adalah kenaikkan dan penurunan jumlah beban (Kimbark 1968,
Fouad 1982, Kundur 1993).
Jumlah beban yang berubah-ubah setiap saat haruslah diikuti dengan penyediaan daya
listrik oleh generator. Setiap kenaikan atau penurunan beban harus diikuti dengan perubahan
daya input mekanis pada prime mover dari generator. Bila daya input mekanis tidak cepat
menyesuaikan dengan daya beban maka kecepatan rotor dari generator (frekuensi sistem) dan
tegangan akan menyimpang dari keadaan normal(Ogata 1997, Saadat 1999).
Jika frekuensi putaran generator dipertahankan konstan, maka tegangan listrik yang
dibangkitkan akan bergantung pada kuantitas beban dan penguatan yang diberikan pada
128
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
kumparan medannya. Beban yang tidak konstan dapat menyebabkan tegangan yang
dibangkitkan oleh generator berubah-ubah .
Adapun tujuan penelitian ini adalah untuk menjaga kontinyuitas dan kestabilan output
generator, dibutuhkan alat yang berfungsi menjaga kestabilan nilai tegangan generator secara
otomatis dengan cara mengubah sudut penyalaan rangkaian trigger pada rangkaian penyearah
eksitasi. Alat tersebut adalah Automatic Voltage Regulator (AVR)(Kimbark 1968).
Dengan menggunakan AVR digital ini, diharapkan performansi respon tegangan output
generator menjadi lebih cepat dan stabil, untuk berbagai macam jenis kondisi
pembebanan(Gunadin, Harun et al. 2009), baik Lagging maupun Leading. Dipilihnya kondisi
pembebanan lagging adalah untuk mewakili kondisi pembebanan harian, sedangkan untuk
kondisi pembebanan leading adalah untuk mengetahui kemampuan dan respon tegangan pada
saat kondisi kritis(Gunadin 2012)
KAJIAN PUSTAKA
Sistem tenaga listrik yaitu komponen-komponen tenaga listrik yang membentuk suatu
sistem terpadu dan terhubung dari pembangkit hingga beban. Ada tiga komponen penting
yang membentuk sistem tenaga listrik itu yaitu komponen pembangkitan, komponen
penyaluran (transmisi/distribusi) dan komponen yang berkaitan dengan pembebanan.
Kestabilan Sistem Tenaga Listrik
Sistem tenaga listrik yang beroperasi dalam keadaan stabil, terdapat keseimbangan antara
daya input mekanis penggerak utama (prime mover) bersumber Air, Uap dan yang lain,
dengan output daya listrik (beban listrik) pada sistem. Dalam hal ini generator berputar dalam
kecepatan sinkron. Setiap kenaikan atau penurunan beban harus diikuti oleh perubahan daya
input mekanis prime mover generator pada sistem. Bila daya input mekanis tidak dapat
menyesuaikan dengan daya beban dan rugi – rugi sistem maka kecepatan rotor generator
(frekuensi sistem) dan tegangan akan menyimpang dari keadaan normal. Jika terjadi
gangguan, maka sesaat terjadi perbedaan yang sangat besar antara daya input mekanis dari
prime mover dengan daya output generator yang dapat diamati dari sudut rotor. Kelebihan
daya mekanis terhadap daya listrik mengakibatkan percepatan pada putaran rotor generator
atau malah sebaliknya perlambatan pada putaran rotor generator dan akan menyebabkan
hilangnya sinkronisasi sistem pada gambar 1, diperlihatkan representasi Sistem tenaga multi
machine .
Gambar 1, Representasi Sistem Tenaga Listrik Multi machine
Jadi kestabilan sistem tenaga listrik didefinisikan sebagai kemampuan dari sistem untuk
menjaga kondisi operasi yang seimbang antara kemampuan sistem tersebut untuk kembali ke
kondisi operasi normal ketika terjadi gangguan. Sedangkan ketidakstabilan sistem dapat
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
129
terjadi dalam berbagai bentuk, tergantung dari konfigurasi sistem dan mode operasinya.
Secara mendasar masalah kestabilan berarti menjaga sinkronisasi operasi sistem tenaga dalam
keadaan beban normal dan beban yang berfluktuatif.
Dalam sistem interkoneksi memiliki karakteristik daya yang sama, hal ini jika terjadi dari
salah satu pembangkit yang mengalami peurunan tegangan atau frekunsi maka pembangkit
(mesin) yang lain ikur menanggung dari akibat tersebut. Oleh karena itu penurunan frekunsi
dan tegangan ditanggung bersama-sama oleh sistem yang terinterkoneksi.
Gambar 2, Rangkian Ekivalen Jaringan Daya Listrik Multimesin (Robandi 2004)
Analisis Kestabilan Melalui Nilai Eigen
Representasi State Space pada Sistem
Bentuk gejala dari sistem yang dinamik yang terjadi dalam sistem tenaga, dapat
direpresentasikan dalam kesatuan dari n non linear orde pertama dari persamaan differensial
yang mengikuti persamaan berikut:
•
xi = fi(x1, x2, …, xn ;u1, u2, …,ur; t)
(1)
dengan i = 1,2,…,n dan n disebut orde dari sistem tersebut, r adalah menyatakan banyaknya
input. Atau bentuk lain yang lebih ringkas dari Persamaan (1) adalah maka dapat di tulis,
•
x = f(x ;u; t)
(2)
Kolom dari x disebut dengan variabel keadaan, sedangkan u adalah variabel input dan t adalah
waktu. Kolom input adalah segala masukan dari dalam atau luar sistem yang mempengaruhi
sistem tersebut. Jadi konsep dari state space ini dapat diimplementasikan dalam sistem tenaga
dengan memperhatikan persamaan umum dari state space ini terhadap sistem yang besar,
yaitu
•
x = A ∆x + B ∆u
∆y = C ∆x + D ∆u
A=
130
 ∂f 1
 ∂x
 1
 ...
 ∂f n
 ∂x1

∂f 1 
∂x n 

... ... 
∂f n 
...
∂x n 

...
(3)
(4)
 ∂f 1
 ∂u
 1
B=  ...
 ∂f n
 ∂u
 1
∂f 1
∂u r
... ...
∂f n
...
∂u r
...







Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
C=
 ∂g 1
 ∂x
1

 ...
 ∂g m
 ∂x
1

...
...
...
∂g 1
∂x n
...
∂g m
∂x n







D=
 ∂g 1
 ∂u
1

 ...
 ∂g m
 ∂u 1

...
...
...
∂g 1
∂u r
...
∂g m
∂u r







(5)
Persamaan (5) matrik A-D dapat mengatasi analisis mengenai kestabilan saat gangguan kecil,
dengan variabel-variabelnya adalah sebagai berikut :
∆x adalah vektor keadaan dengan dimensi n.
∆y adalah vektor keluaran dengan dimensi m.
∆u adalah vektor masukan dengan dimensi r.
A adalah matriks keadaan dari sistem dengan ukuran nxn.
B adalah matriks pengontrol masukan dengan ukuran nxr.
C adalah matriks keluaran dengan ukuran mxn.
D adalah matriks feedforward antara input dan output dengan ukuran mxr.
Dari variabel-variabel inilah kemudian sistem dianalisis menggunakan nilai eigenvalues dari
matriks A.
Analisis Nilai Eigen
Jika studi sistem telah diungkapkan ke dalam analisa state space atau melalui blok diagram,
maka analisis kestabilan sistem tersebut dapat diketahui melalui nilai eigennya. Eigenvalues
suatu matriks didapat dari nilai skalar parameter λ yang berasal dari persamaan :
Aφ = λφ
(6)
Keterangan persamaan di atas adalah :
A adalah matriks nxn
φ adalah matriks nx1
Untuk menentukan nilai eigen velue, maka Persamaan (6) dapat ditulis sebagai berikut:
( A − λI )Φ = 0
Untuk penyelesaian lebih lanjut, maka :
det( A − λI ) = 0
Pengembangan dari determinan diberikan pada persamaan karakteristik n penyelesaian λ = λ1,
λ2, ...., λn adalah nilai eigen A. Real eigen value berhubungan dengan sebuah mode non
osilasi, maka nilai eigenvalues negatif menandakan mode yang rusak. Semakin besar nilai
magnitudenya maka semakin cepat pula kerusakan. Sedangkan nilai eigen value positif
menunjukkan instabilitas pada waktu tertentu. Namun jika eigenvalue tersebut terdiri dari
bilangan kompleks, maka terdapat nilai konjugasi yang berpasangan. Komponen real eigen
value menghasilkan redaman, dan komponen imajiner menghasilkan frekuensi osilasi. Bagian
negatif real menyatakan osilasi teredam sedangkan positif real menyatakan naiknya
amplitude. Bilangan kompleks tersebut mempunyai bentuk :
λ = σ ± jω
(7)
Dengan frekuensi osilasi dalam Hz
ω
(8)
f =
2π
Frekuensi di atas menandakan frekuensi teredam. Rasio redaman ditentukan oleh persamaan :
ζ=
-σ
σ + ω2
2
(9)
Sistem Eksitasi
Sistem eksitasi merupakan fungsi dari sistem menyediakan arus searah (dc) ke kumparan
medan pada mesin sinkron pada generator. Sebagai tambahan, sistem eksitasi melaksanakan
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
131
fungsi kendali atau kontrol dan fungsi yang bersifat melindungi untuk mancapai kondisi dari
sistem tenaga dengan pengendalian tegangan medan dan demikian juga arus medan. Fungsi
kendali atau kontrol meliputi kontrol tegangan dan aliran daya reaktif, dan peningkatan
stabilitas sistem. Fungsi yang bersifat melindungi memastikan bahwa kemampuan membatasi
dari mesin sinkron, sistem eksitasi, dan peralatan lain tidak melewati batasan yang ditetapkan.
Pada pembahasan ini, model sistem eksitasi yang dipakai mengacu pada model IEEE tipe 1
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, berikut:
∆U 2
∆ Vt
saturasi
Amplifier
+
1
1 + sT R
-
KA
1 + sT A
+
Exciter
∆V A
1
KE + sTE
∆ E fd
∆VF
sK F
1 + sTF Filter &
penyearah
Gambar 3. Diagram blok sistem eksistasi
Tipe-tipe sistem eksitasi adalah sebagai berikut:
Pertama Sistem menggunakan generator dc sebagai sumber tenaga eksitasi dan menyadiakan
arus pada rotor mesin sinkron melalui cincin geser. Exciter dapat digerakkan oleh motor atau
poros dari generator. Dapat berupa penguatan sendiri ataupun penguatan terpisah. Pada
penguatan terpisah, medan eksiter di berikan oleh exciter yang dikemudikan oleh permanen
magnit dari generator. Kedua Pada sistem eksitasi ini menggunakan altenator (mesin arus
bolak-balik) sebagai sumber tenaga eksitasi dari generator utama. Hal ini, eksiter berada pada
poros yang sama dengan turbin generator sejajar. Output yang berupa arus bolak-balik
disearahkan baik oleh controlled rectifier maupun uncontrolled rectifier. Rectifier ada yang
ikut berputar dan ada pula yang diam, tidak ikut berputar. Ketiga Semua komponen pada
sistem ini statis atau tidak dapat bergerak. Rectifier statis, controlled maupun uncontrolled,
memberikan arus eksitasi secara langsung ke kumparan generator sinkron yang utama melalui
cincin geser. Daya diberikan pada rectifier berasal dari generator utama (atau bantuan bus)
melalui trafo untuk menurunkan tegangan sampai batas yang tepat, atau pada kasus-kasus
tertentu melalui bantuan kumparan pada generator.
METODE PENELITIAN
Pemodelan Generator
Di dalam pemodelan generator terdapat beberapa model yang dapat digunakan antara lain:
simplified model, two axis model, dan completed model. Dalam penelitian ini pemodelan
generator yang digunakan adalah simplified model.
Persamaan E’
(10)
E FD = (1 / K 3 + T ' do s ) E ' q∆ + K 4δ ∆
E q, ∆ =
K3
1+
,
K 3Tdo
E FD∆ −
K3K4
,
1 + K 3Tdo
δ∆
(11)
Persamaan torsi elektrik
132
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
T∆ = K 1δ ∆ + K 2 E q, ∆
(12)
Persamaan tegangan terminal
Vt∆ = K 5δ ∆ + K 6 E q, ∆
(13)
Dari Persamaan di atas didapatkan blok diagram dari simplified model generator. Bahwa
harga konstanta dari K1, K2, K3, K4, K5, dan K6 tergantung dari parameter jaringan, kondisi
operasi dan tegangan terminal infinite bus yang terhubung dengan jaringan interkoneksi.
Pemodelan Sistem Eksitasi
Pemodelan sistem eksitasi AVR Digital yang digunakan adalah Paiton EX-2000 Busfed
Eksiter. Model ini merupakan model sistem eksitasi statis yang menggunakan PI Controler.
Blok Diagram dari sistem eksitasi tersebut dapat ditunjukkan pada gambar dibawah ini:
Sistem tenaga listrik secara menyeluruh yang terbagi dalam dua area dapat diwakilkan dalam
satu blok mesin sebagai berikut:
1
R
K1
∆U
1
∆Y
K ga
+
1 + sT g a
1 − Tw S
1 + 0 ,5T w S
∆Tm +
-
1
sM + D
2π f
s
•
∆ω
∆δ
•
-
•
w (t)
K2
K5
+
∆Vt
•
+
K4
K6
∆U 2
+
-
-
KA
1 + sT A
∆VF
∆VA
1
K E + sT E
∆ E fd +
•
-
K3
1 + s T d′ 0 K 3
•
∆ E ′q
sK F
1 + sT F
Gambar 4. System Multimesin (Robandi 2004)
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Tahap awal dalam melakukan simulasi adalah dengan memodelkan Simplified model
generator dan sistem eksitasi digital dalam simulink. Pemodelan kedua sistem tersebut sesuai
dengan blok diagram yang terdapat pada bab pemodelan sistem.
Tabel 1. Data Sistem berbeban kondisi Tertinggal
Daya
Reaktif
Beban Lagging Daya (MWatt)
Tegangan (pu) Power Factor
(MVAR)
1.
625
325
0.98864
0.877
2.
619
116
0.9886
0.97289
3.
698
50
0.98875
0.9874
Sedangkan untuk data beban leading diambil dari titik-titik kritis yang tertera pada kurva
kapabilitas.
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
133
1.
Tabel 2. Data Sistem berbeban kondisi mendahului
Daya
Reaktif Tegangan
Daya (MWatt)
(MVAR)
(pu)
300
-320
0.90854
Power
Factor
0.745
2.
400
-305
0.95051
0.785
3.
225
-255
0.87662
0.6546
Beban Leading
Hasil Simulasi dan Analisis Data
Simulasi dilakukan dengan menggunakan Simulink pada Software Matlab. Dari hasil
simulasi dapat diketahui respon tegangan generator dan nilai eigen value dari sistem dengan
setting parameter kontroller PI KPR = 2.18 dan KIR = 2.18
Dari analisis kondisi awal, kemudian dilakukan perbaikan dengan cara mensetting ulang
nilai KPR dan KIR secara trial and error untuk mendapatkan respon tegangan dan Eigenvalue
yang lebih baik untuk kondisi pembebanan. Sehingga didapatkan nilai KPR dan KIR yang
paling bagus untuk kedua kondisi beban.
Gambar 5. Respon tegangan generator beban Tertinggal
Tabel 3. Nilai eigen beban tertinggal
Beban Tertinggal 1
Beban tertinggal 2
0 + 0i
-99.9035 + 0i
-0.42783 + 10.5029i
-0.42783 - 10.5029i
-0.53185 + 0i
-0.093578 + 0i
0 + 0i
-99.8197 + 0i
-0.534021+11.209i
-0.534021-11.209i
-0.28281 + 0i
-0.12295 + 0i
Dari simulasi diatas dapat dianalisis bahwa pada kondisi beban lagging respon tegangan
generator dengan setting nilai KPR = 2.18 dan KIR = 2.18 sudah cukup bagus, akan tetapi
respon mengalami “kecuraman” dan respon sangat lambat. Sedangkan respon tegangan yang
didapat pada kondisi beban leading, respon tegangan mengalami osilasi bahkan cenderung
menuju kondisi yang tidak stabil.
134
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
Gambar 6. Respon tegangan generator pada beban tertinggal
Tabel 4. Nilai eigen Sistem
Kondisi Beban
KPR=100 KIR=35
KPR=300 KIR=100
KPR=25 KIR=75
0
-95.1681
-1.66244+11.0081i
-1.66244-11.0081i
-1.3923
-0.44824
0
-87.3508
-3.4654+8.8598i
-3.4654-8.8598i
-6.7706
-0.34147
0
-99.0951
-0.788083+11.3675i
-0.788083-11.3675i
-0.35013+0.96668i
-0.35013-0.96668i
Dengan cara yang sama, hasil simulasi untuk beban leading 1 adalah :
SIMPULAN DAN SARAN
Untuk parameter AVR Digital (KPR=2.18 dan KIR=2.18) pada generator dalam kondisi
stabil pembebanan tertinggal (beban sistem), namun respon tegangan sangat lambat dan
mengalami redaman berlebih. Pada kondisi pembebanan mendahului menggunakan setting
parameter AVR Digital (KPR=2.18 dan KIR=2.18), respon tegangan serta stabilitas sistem
berada dalam kondisi kritis. Setelah dilakukan analisis dan perbaikan setting parameter AVR
Digital, ternyata bahwa setting tersebut merupakan setting yang tepat pembebanan tertinggal,
atau sebagai setting yang tepat untuk pembebanan mendahului. Untuk saran, penelitian ini
dapat dikembangkan menggunakan Artificial Intelligence untuk meningkatkan performansi
Kesatabilan tegangan pada sistem tenaga listrik.
DAFTAR PUSTAKA
Fouad, P. M. A. a. A. A. (1982). "Power System Control and Stability." Lowa State University
Perss, Ames, Lowa, .
Gunadin, I. C. (2012). "Determination of Steady State Stability Margin Using Extreme
Learning Machine."
Gunadin, I. C., N. Harun and A. Suprijanto (2009). Transient Stability on East Indonesia
System. Proceeding of National Seminar on Applied Technology, Science, and Art
(APTECS), Surabaya.
Kimbark, E. W. (1968). "Power System Stability: SYNCHRONOUS MECHINES." Dover
Publications, Inc., New York.
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017
135
Kundur, P. (1993). "Power System Stability and Control " McGraw-Hill, In, USE.
Ogata, K. (1997). "Modern Control Engineering, third edition." Prentice-Hall International,
Inc.
Robandi, I. (2004). New concept of damper on mulimachine power system. The 2004 IEEE
Asia-Pacific Conference on Circuits and Systems, 2004. Proceedings.
Saadat, H. (1999). "Power System." McGraw-Hill Inc. USA.
136
Tekno Efisiensi Vol.2 No. 1 April 2017