PENEMPATAN FACTS DEVICE UNTUK MENINGKATKAN

SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi
PENEMPATAN FACTS DEVICE UNTUK MENINGKATKAN KESTABILAN TEGANGAN
DAN MENURUNKAN LOSESS JARINGAN DENGAN LINE INDICATOR
Chico Hermanu B A1, Sasongko Pramono Hadi2, Sarjiya3
1
Mahasiswa Pascasarjana, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik
2,3
Pengajar, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada
Jalan Grafika 2 Yogyakarta 55281
email: [email protected], [email protected], [email protected]
ABSTRAK
Pertumbuhan beban yang sangat cepat mengakibatkan sistem beroperasi mendekati ambang batas kestabilan.
flexible alternating current transmission system (FACTS) adalah peralatan power elektronik yang dapat meningkatakan
stabilitas sistem, menaikan profil tegangan dan menurunkan losses saluran transmisi. Tujuan dari penelitian ini menentukan
lokasi optimal FACTS untuk meningkatkan kestabilan statis tegangan dan menurunkan losses saluran transmisi.
Metode untuk penempatan lokasi optimal FACTS dengan mengunakan analisis kurva P-V, voltage collapse
proximity index (VCPI), dan fast voltage stability index (FVSI). Kurva P-V, indeks VCPI dan indeks FVSI digunakan untuk
menentukan bus yang medekati titik kestabilan tegangan kritis. Bus yang paling mendekati batas kestabilan tegangan kristis
akan dipasang FACTS. Pada penelitian ini mengunakan jenis FACTS, unified power flow controller (UPFC). Power system
analysis toolbox (PSAT) adalah software yang digunakan untuk melakukan running continuation power flow (CPF) dan
sistem yang diuji sistem IEEE 14 bus.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa penempatan optimal UPFC mampu meningkatkan kestabilan tegangan, menaikan
profil tegangan bus, dan menurunkan losses sistem tenaga listrik, dimana losses daya aktif berkurang sebesar 0,113223 p.u
(38.44%), sedangkan losses daya reaktif berkurang sebesar 0,490889 p.u (53.60%).
Kata kunci : FACTS, kestabilan tegangan, total losses, UPFC, PSAT
sudah ada (Narain G. H., Laszlo G., 2000). Terdapat
beberapa jenis FACTS devices antara lain: Thyristor
PENDAHULUAN
Pada saat ini kebutuhan energi listrik meningkat
dengan cepat, akan tetapi pembangunan pembangkit
baru dan penambahan saluran transmisi dibatasi
dengan ketersediaan sumber daya, masalah
lingkungan dan membutuhkan biaya yang tidak
sedikit.
Seiring
meningkatnya
kualitas
perkembangan komponen-komponen elektronika
daya dan perkembangan material, maka kemampuan
peralatan sistem tenaga listirk semakin meningkat.
Kemajuan kontrol pada sistem tenaga listrik
memungkinkan peningkatan kapabilitas saluran
transmisi dan kestabilan sistem tenaga listrik. Maka
dari itu dibutuhkan komponen sistem tenaga listrik
yang
mampu
mengontrol
sekaligus
mengkompensasi rugi-rugi daya pada sistem tenaga
listrik terutama pada saluran transmisi. Salah satu
cara untuk menurukan loses pada saluran trasmisi,
meningkatkan kapasitansi saluran transmisi dan
meningkatkan kestabilan sistem dengan memasang
FACTS device di saluran transmisi (Zuwei Yu, D.
lusan, 2004). Dengan demikian, FACTS akan
menghemat banyak biaya untuk penambahan
penyediaan daya listrik karena menghindari
pembangunan jaringan transmisi baru.
FACTS memiliki beberapa kemampuan antara
lain meningkatkan fleksibilitas operasi, kestabilan
sistem, dan pemanfaatan jaringan eksisting yang
Controlled Series Compensator (TCSC), Static Var
Compensator (SVC), Unified Power Flow
Controller
(UPFC),
Static
Compensator
(STATCOM). Diantara jenis FACTS device yang
memiliki load ability transfer paling tinggi dan
memiliki injeksi Mvar paling besar adalah UPFC
(Ahmad R. J., Mahmood J., 2011). Hal ini yang
melandasi dipilihnya UPFC sebagai kompensator
tunggal pada penelitian ini. Beberapa penerapan
aplikasi UPFC di sistem tenaga listrik untuk
meningkatkan stabilitas sistem, meningkatkan
power quality dan meningkatkan aliran daya (Arup
R.B., Champa N., 2011), (H C Leung, Dylan DahChuan, 2011).
Berbagai metode indikator diusulkan untuk
mempelajari stabilitas tegangan. Seperti analisis
eigenvalue dari matriks jacobian, kurva P-V, VCPI
(Voltage Collapse Proximity Index) dan FVSI (Fast
Voltage Stability Index) digunakan untuk
menentukan stabilitas tegangan (Anju G.,
P.R.Sharma, 2012). Tidak banyak penelitian yang
mengunakan indeks VCPI dan indeks FVSI sebagai
indikator saluran untuk menentukan tingkat
kestabilan steady state sistem tenaga listrik.
Penelitian ini menitikberatkan pada perbaikan profil
tegangan saluran dan mengurangi losses pada
saluran yang memiliki titik kestabilan tegangan
paling rendah.
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013
E 53
SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi
Pada penelitian ini setelah dilakukan analisis
dari kurva P-V, indeks VCPI, dan indeks FVSI
didapatkan batas steady state serta karakteristik dari
sebuah sistem, sehingga dapat mengetahui bus yang
paling sensitif terhadap penambahan beban. Dari
bus tersebut dipasangkan UPFC yang nantinya akan
dapat memperbaiki profil tegangan dan menurukan
losses.
METODE PENELITIAN
Penelitian ini mengunakan metode analisis dan
simulasi yang menitik beratkan pada perbaikan
kestabilan tegangan, menaikan profil tegangan, dan
menurunkan losses sistem tenaga listrik. Kestabilan
tegangan tiap bus diamati dengan menggunakan
bantuan kurva P-V yang dapat menunjukkan nilai
kondisi tegangan disetiap kondisi operasi melalui
simulasi CPF. Selain mengunakan kurva P-V,
indeks VCPI dan indeks FVSI juga digunakan untuk
memilih bus atau saluran terkritis sebagai lokasi
penempatan UPFC. Kemudian dilakukan analisis
dan pengamatan terhadap perubahan kestabilan
tegangan, profil tegangan, dan losses sebelum dan
sesudah dipasang UPFC.
A. Kestabilan Tegangan (Prabha Kundur, 1994)
Kestabilan sistem tenaga listrik didefinisikan
sebagai kemampuan dari sistem untuk menjaga
kondisi operasi yang seimbang dan kemampuan
sistem tersebut untuk kembali ke kondisi operasi
normal ketika terjadi gangguan. stabilan tegangan
adalah kemampuan dari sistem tenaga untuk
menjaga tegangan steady disemua bus dalam sistem
setelah mengalami gangguan. Kestabilan ini
tergantung pada kemampuan untuk menjaga atau
mengembalikan keseimbangan antara kebutuhan
beban dan suplai daya dari sistem tenaga. Ketidak
stabilan yang terjadi bisa dalam bentuk penurunan
atau meningkatnya tegangan pada beberapa bus.
Akibat yang mungkin terjadi karena ketidakstabilan
tegangan adalah kehilangan beban pada suatu area
atau lepasnya jaringan transmisi karena bekerjanya
relay proteksi. Faktor utama yang mengkontribusi
ketidak stabilan tegangan adalah ketika gangguan
yang terjadi menyebakan kebutuhan daya reaktif
meningkat diluar dari kapasitas sumber daya reaktif
yang tersedia.
B. Kurva P - V
Analisis
stabilitas
tegangan
dengan
menggunakan kurva P-V atau nose curve ini adalah
untuk melihat pada kondisi beban total berapa
(MW) tegangan sistem mengalami collapse.
Artinya kemampuan sistem dalam menyalurkan
daya aktif telah melebihi kemampuan sistem itu
sendiri. Bentuk kurva P-V merupakan representasi
dari bus beban, sedangkan pada bus swing dan bus
generator tidak berlaku karena pada bus tersebut
terdapat generator sehingga nilai tegangannya tetap
untuk perubahan beban tertentu.
Kurva P-V atau nose curve merepresentasikan
variasi tegangan yang berkaitan dengan variasi
beban daya aktif. Kurva P-V ini diperoleh dari
serangkaian solusi aliran daya untuk tingkat beban
berbeda yang terdistribusi secara merata dengan
menjaga faktor daya tetap. Daya aktif yang
dibangkitkan sebanding dengan rating generator
atau berdasarkan faktor permintaan beban dari
konsumen. Komponen P dan Q dari setiap beban
tergantung dari tegangan bus sesuai dengan model
yang dipilih. Penentuan titik kritis untuk
peningkatan beban yang diberikan sangat penting
karena dapat menyebabkan runtuhnya tegangan
sistem. Units
C. Index VCPI (Voltage Collapse Proximity Index)
Index VCPI merupakan index yang menyatakan
perbandingan pembebanan daya yang diterima
dengan daya maksimum yang dikirimkan sistem
(Anju G., P.R.Sharma, 2012).
Gambar 1. Sistem Tenaga Listrik
Nilai VCPI didapatkan persamaan:









SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013
E 54
SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi
D. Index FVSI (Fast Voltage Stability Index)
F. Pemodelan UPFC
Index FVSI di dapatkan dari proses aliran daya
reaktif. Index FVSI mengambarkan bus yang
berkerja mendekati titik kestabilan kritis ketika di
bebani mendekati pembebanan maksimum (Anju
G., P.R.Sharma, 2012).

E. Konfigurasi UPFC
Unified Power Flow Controller (UPFC) adalah
salah satu peralatan flexible alternating current
transmission system (FACTS) yang sering
digunakan. UPFC dapat mengendalikan aliran daya
aktif dan reaktif fleksibel pada saluran transmisi
dengan mengendalikan parameter saluran transmisi
seperti tegangan, impedansi, dan sudut fase.
Kemampuan utama UPFC adalah mengendalikan
aliran daya aktif dan reaktif serta memperbaiki
tegangan saluran transmisi. Disamping itu UPFC
juga mampu meredam osilasi serta meningkatkan
kestabilan sistem setelah terjadi gangguan.
Gambar 3. Model UPFC pada saluran
Gambar 4. Diagram fasor UPFC pada saluran.
Model UPFC yang terpasang disaluran
ditunjukkan pada gambar 3, berdasarkan gambar 4
merupakan pedekatan diagram phasor dari
pemasangan UPFC di salauran transmisi. Ada
beberapa parameter yang dapat diatur untuk
menjaga level tegangan dan aliran daya system,
dengan persamaan sebagai berikut: (H C Leung,
Dylan Dah-Chuan, 2011)



Gambar 2. Skema Dasar UPFC.
UPFC
merupakan
peralatan
serbaguna,
dikarenakan dapat mengontrol tegangan suatu bus
dan aliran daya untuk operasi sistem yang optimal.
Sifat serbaguna ini dikarenakan terdapat dua
switching converter yang terdapat pada UPFC. Dua
converter tersebut dihubungkan menggunakan DC
link. Series inverter dihubungkan dengan saluran
transmisi melalui trafo yang dihubung seri,
sementara shunt inverter dikopel dengan bus yang
ingin dikontrol melalui shunt transformer. Shunt
inverter dapat menghasilkan maupun menyerap
daya reaktif dan dapat menyediakan daya aktif ke
series transformer. Sedangkan fungsi dari series
inverter berkaitan dengan pengaturan tegangan.
Skema dasar blok UPFC dapat dilihat pada Gambar
2.



Kemudian untuk pendekatan secara matematis
dari load flow yang mengalir dari bus i ke bus j:


Berdasarkan prinsip kerja injeksi daya reaktif
peralatan UPFC pada bus i dan bus j:
Gambar 5. Injeksi model UPFC.
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013
E 55
SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi


(8)
(
cos +
(16)
sin
Gambar 7 didapatkan tiga bus yang memiliki
loading parameter (
terendah. Bus 4 memiliki
loading parameter
, bus 05 memiliki
loading parameter
, dan
bus 14
memiliki loading parameter
. Jadi bus
14
merupakan
bus
terkritis
teganganya
dibandingkan bus yang lain.
)
1.1
1
(17)
(18)
(19)
DATA DAN PEMBAHASAN
Voltage magnitude (p.u.)
0.9
VBus 04
0.8
VBus 05
0.7
VBus 14
0.6
0.5
Sistem yang digunakan adalah rangkaian standar
IEEE 14 bus seperti pada Gambar 6. Simulasi
dilakukan dengan menggunakan software Power
System Analysis Toolbox (PSAT) versi 2.1.8 pada
matlab R2012b yang dikembangkan oleh Federico
Milano (Federico Milano, 2005).
0.4
0
0.5
1
1.5
2
Loading Parameter  (p.u.)
2.5
Gambar 7. Kurva P-V tanpa UPFC.
Gambar 8. Profil tegangan bus tanpa UPFC.
Dari gambar 8 terlihat bahwa profil tegangan
bus 14 = 0.681 p.u. adalah paling rendah
dibandingkan dengan bus lain.
H. Indeks VCPI dan Indeks FVSI
Gambar 6. Sistem IEEE 14 bus.
Kemudian dilakukan running CPF untuk
mendapatkan kurva P-V, dilakukan analisis index
kestabilan pada simulasi sebelum penempatan
UPFC.
Indeks VCPI dan FVSI di dapatkan dengan
asumsi besarnya daya reaktif dan daya aktif dari
setiap saluran dianggap konstan. Nilai indeks VCPI
dan indek FVSI menyatakan perbandingan bus yang
paling kritis terhadap kestabilan tegangan.
TABEL 1. STABILITY INDICES WITHOUT UPFC (ANJU G.,
P.R.SHARMA, 2012).
G. Base case Kurva PV
Untuk mendapatkan kurva P-V dari sistem
IEEE14 bus dengan cara melakukan run CPF. Pada
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013
E 56
SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi
Load
p.u
Line
Q14=0.9
13-14
9-14
11-10
9-10
6-12
13-12
Q10
=0.948
Q12
=0.855
VCPI (voltage
collapse
proximity
index)
0.869
0.746
0.363
0.241
0.598
0.379
FVSI (Fast
voltage
stability
index)
0.956
0.749
0.389
0.258
0.410
0.431
Dari tabel 1 terlihat bahwa bus yang mendekati
nilai kritis adalah di saluran bus 13-14 kemudian
dikuti oleh bus 9-14 dibandingakan bus yang lain.
Gambar 10. Profil tegangan dengan UPFC bus 9-14.
I. Penempatan UPFC bus 9-14
Berdasarkan analisis dari kurva P-V bus yang
paling kritis adalah bus 14. Sedangkan dari indeks
kestabilan tegangan, penempatan UPFC yang
optimal ditempatkan di saluran bus 13-14 atau bus
9-14. Tetapi karena profil tegangan di bus 9 sangat
rendah maka penempatan UPFC di bus 9-14.
Pada gambar 9 hasil simulasi UPFC yang
ditempatkan di bus 9-14, terlihat bahwa besarnya
loading parameter
bus 14 meningkat setelah
dipasang UPFC, hal ini membuat kestabilan
tegangan di bus 14 juga meningkat.
TABEL 2. Perbandingan Besar Pembangkitan dan
Losses
Total Beban (p.u)
Tanpa UPFC UPFC bus 9-14
Daya Aktif
3,626
3,8073
Daya reaktif
1,1396
1,5645
Total Pembangkitan (p.u)
1.4
1.2
Voltage Magnitude (p.u.)
J. Generation dan Losses
Pemasangan UPFC juga mempunyai efek
terhadap besar pembangkitan dan losses yang
terjadi pada jaringan seperti yang ditunjukan pada
Tabel 2.
Daya Aktif
3,920523
3,626
Daya Reaktif
2,055359
1,1396
Daya Aktif
0,294523
0,1813
Daya Reaktif
0,915759
0,42487
Losses (p.u)
1
VBus 04
0.8
VBus 05
0.6
VBus 09
VBus 14
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
Loading Parameter  (p.u.)
2.5
3
Gambar 9. Kurva P-V dengan UPFC bus 9-14.
Untuk profil tegangan pada bus 14 terlihat
pada gambar 10 terjadi peningkatan semula dari
0.681 p.u. sebelum dipasang UPFC naik
menjadi 1.005 p.u. atau naik sebesar 47.58%
setelah di pasang UPFC. Kemudian di bus 9
juga mengalami kenaikan dari 0.721 p.u.
menjadi 1.000 p.u. atau naik sebesar 38.69%.
Injeksi daya reaktif yang dikirimkan dari
UPFC ke sistem mampu mengurangi losses, pada
tabel 2 dengan total beban yang dianggap konstan,
pemasangan UPFC yang ditempatkan pada bus 9–
14 ini mampu menurunkan losses sistem, dimana
losses daya aktif berkurang sebesar 0,113044 p.u
(38%), sedangkan losses daya reaktif berkurang
sebesar 0,376546 p.u (41%) .
KESIMPULAN
Penempatan UPFC pada sistem IEEE 14 bus
dapat meningkatkan kestabilan tegangan yang
diindikasikan oleh nilai loading parameter pada
kurva P-V yang semakin baik. Penempatan UPFC
juga mampu menaikan profil tegangan sistem dan
menurunkan losses sistem, dimana losses daya
aktif berkurang sebesar 0,113223 p.u (38.44%),
sedangkan losses daya reaktif berkurang sebesar
0,490889 p.u (53.60%) untuk case penempatan
UPFC di bus 9-14. Hal ini tentunya akan menaikan
transfer daya dari pembangkit ke beban,
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013
E 57
SEMINAR NASIONAL ke 8 Tahun 2013 : Rekayasa Teknologi Industri dan Informasi
menurukan nilai cost operasi sistem tenaga listrik,
dan menunda pembagunan saluran transmisi baru.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih kepada semua pihak
yang sudah meluangkan waktu untuk memberi
doa,
bimbingan,
dan
dukungan
selama
pelaksanaan penelitian.
DAFTAR PUSTAKA
Ahmad Rezaee Jordehi, Mahmood Joorabian, 2011.
“ Optimal Placement of Multi-Type FACTS
Devices in Power Systems Using Evolution
Strategies”, IEEE, International Power
Engineering and Optimization Conference
(PEOCO).
Anju Gupta, P.R.Sharma, 2012. “Optimal
Placement of FACTS Devices for Voltage
Stability Using Line Indicators”, IEEE.
Arup
Ratan
Bhowmik,
Champa
Nandi,
2011.“Implementation of Unified Power Flow
Controller (UPFC) for Power Quality
Improvement in IEEE 14-Bus System”, Int. J.
Comp. Tech. Appl., Vol 2 (6), Nov-Dec.
Federico Milano, 2005. "Power System Analysis
Toolbox," Version 2.18, Software and
Documentation, July 14.
H C Leung and Dylan Dah-Chuan, 2011. “Particle
Swarm Optimization for OPF with
Consideration of FACTS devices”, IECON
2011 - 37th Annual Conference on IEEE
Industrial Electronics Society, pp.2406 2410,
Ismail
Musirin,
Titik
Khawa
Abdul
Rahman,Member, 2002. “On line Voltage
Stability Based Contingrncy Ranking Using
Fast Voltage Stability Index(FVSI)”, IEEE.
M. Ahmadi, M. Alinezhad, H. Lesani, N. Talebi,
2008. “Comparison of SVC, STATCOM,
TCSC, and UPFC Controllers for Static
Voltage Stability Evaluated by Continuation
Power Flow Method”, IEEE Electrical Power
& Energy Conference.
Narain G. Hingorani and Laszlo Gyugyi, 2000.
“Understanding FACTS: Concepts and
Technology of Flexible AC Transmission
Systems”, NewYork: IEEE Press.
Prabha Kundur, 1994, “Power System Stability and
Control”, McGraw Hill,Inc
Restu Prima A., Sasongko P. Hadi, Lesnanto M. P.,
2013. “ Pengaruh Penempatan Unified Power
Flow Controller (UPFC) Terhadap Kestabilan
Tegangan
Sistem
Tenaga
Listrik”.
LaporanAkhir, tidakdipublikasikan.
Sasongko P. Hadi, 2011. "Dynamic Modelling and
Damping Function of GUPFC in MultiMachine Power System," The Journal for
Technology and Science IPTEK, vol. 22, no.
4, pp. 205-213.
Zuwei Yu and D. lusan, 2004. “Optimal Placement
of FACTS Device in Deregulated Systems
Considering Losses”, ELSEVIER Electrical
Power and Energy System vol. 26, pp. 818819.
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI NASIONAL, 14 Desember 2013
E 58