40. Prosiding Julianus gesuri-ok

Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi VI
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Agustus 2007
MONITORING KESTABILAN SISTEM PEMBANGKIT
MELALUI PENGATURAN EKSITASI
Julianus Gesuri Daud1,2 , Muchdar Dg. Patabo2
Mahasiswa Pascasarjana Jurusan Teknik Elektro, FTI-ITS Surabaya
2
Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Manado - SULUT
Telp : (031) 5931080, (0431) 811568 Fax : (0431) 811568
E-mail : [email protected]
1
ABSTRAK
Pada sistem pengaturan modern, eksitasi memegang peranan penting dalam
mengendalikan kestabilan suatu pembangkit karena apabila terjadi fluktuasi beban maka
eksitasi sebagai pengendali akan berfungsi mengontrol keluaran generator seperti
tegangan, arus dan faktor daya dengan cara mengatur kembali besaran-besaran input
guna mencapai titik keseimbangan baru. Bila arus eksitasi naik maka daya reaktif yang
disalurkan generator ke sistem akan naik sebaliknya bila turun maka daya reaktif yang
disalurkan akan berkurang. Jika arus eksitasi yang diberikan terlalu kecil, aliran daya
reaktif akan berbalik dari sistem menuju ke generator sehingga generator menyerap
daya reaktif dari sistem. Keadaan ini sangat berbahaya karena akan menyebabkan
pemanasan berlebihan pada stator. Hasil simulasi Matlab yang dilakukan dengan
mengatur eksitasi pada kisaran nilai KE = 0.5 sampai dengan KE = 5 menunjukkan
adanya respons waktu yang bervariasi antara 6 – 12 ms bagi generator untuk mencapai
kondisi steady state sebelum akhirnya menjadi stabil.
Kata kunci : kestabilan, eksitasi, generator
PENDAHULUAN
Sistem Tenaga Elektrik secara global terbagi menjadi tiga bagian yaitu sistem
pembangkitan, jaringan transmisi dan beban. Pada Gambar 1, memperlihatkan transfer
energi elektrik dari pusat pembangkit ke beban melalui jaringan transmisi.
Gambar 1. Model sistem penyaluran daya listrik
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi VI
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Agustus 2007
Bentuk persamaan dari Gambar 1, dapat dituliskan :

1  x  x d ' x d  x d' E 2  x ' Q
E '  ' 
E 
 E fd 
'
'
'
Td 0 
x
x
E

(1)
1
1

E fd   ( E fd  E fd 0 )  K (
( xP) 2  ( xQ  E 2 ) 2  E r )
T
E

(2)
0  E '2 E 2  ( x ' P) 2  ( x 'Q  E 2 ) 2
(3)
Pada Gambar 1 diatas, jika terjadi perubahan permintaan di sisi beban maka
akan terjadi perubahan pada tegangan atau frekuensi sistem. Perubahan ini akan
menyebabkan pengendali mengatur kembali besaran-besaran input guna mencapai titik
keseimbangan baru. Pengendali semacam ini ada pada sisi pembangkit. Secara diagram
blok, pengendali tersebut dapat digambarkan seperti pada Gambar 2 yang
memperlihatkan proses transfer energi dari uap/air menjadi besaran elektrik seperti
daya, arus dan tegangan.
Gambar 2. Diagram blok sistem Kontrol pada Generator
Dari Gambar 2, dapat dijelaskan bahwa energi yang dibawa oleh air (dalam kasus
PLTA) atau uap (dalam kasus PLTU), menggerakkan turbin yang akan memutar
generator untuk menghasilkan energi elektrik. Energi elektrik yang dihasilkan oleh
generator ini dikirim ke beban melalui kawat transmisi. Governor adalah pengendali
yang berfungsi untuk menstabilkan nilai torsi mekanik yang menjadi masukan bagi
generator. Bila ada perubahan putaran, governor berfungsi sebagai umpan balik untuk
mencapai nilai kesetimbangan baru. Sistem eksitasi adalah pengendali yang berfungsi
untuk mengontrol keluaran generator seperti tegangan, arus dan faktor daya. Bila terjadi
perubahan pada besaran-besaran tersebut, maka eksitasi akan berfungsi sebagai umpan
balik untuk mencapai nilai kesetimbangan baru. Kedua pengendali diatas, mempunyai
perbedaaan waktu respon. Governor mempunyai respon yang lambat terhadap
perubahan beban sedangkan sistem eksitasi mempunyai respon yang cepat. Oleh karena
itu dalam studi seperti studi kestabilan dinamik respon governor sering diabaikan.
ISBN : 978-979-99735-3-5
A-40-2
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi VI
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Agustus 2007
SISTEM KONTROL EKSITASI
Diagram blok mesin sinkron yang berfungsi sebagai generator beserta dengan
pengendali sistem eksitasi tampak pada Gambar 3.
Gambar 3. Diagram blok Generator Si nkron dan sistem Eksitasi
Untuk dapat menghasilkan energi elektrik, generator sinkron membutuhkan dua
masukan. Masukan pertama adalah torsi mekanik dari turbin. Torsi ini berfungsi untuk
memutar rotor generator sinkron sedangkan yang kedua adalah fluksi magnetik dari
rangkaian medan. Belitan penghasil fluksi dari rangkaian medan terletak di rotor
generator sinkron. Jadi dengan adanya torsi mekanik dari turbin, medan fluksi yang
dihasilkan oleh rangkaian medan akan berputar. Fluksi putar ini akan memotong belitan
konduktor di bagian stator, sehingga timbul tegangan di ujung-ujung belitan stator.
Besarnya tegangan yang ditimbulkan sebanding dengan kecepatan putar poros dan besar
nilai fluksi.
Secara matematik :
E = C.n.
(4)
E adalah tegangan di belitan stator, n kecepatan putar poros generator ,  fluksi dan C
konstanta pembanding. Persamaan (1) memperlihatkan hubungan linier antara tegangan
dan fluksi. Namun pada kondisi jenuh hubungan tegangan dan fluksi tidak lagi linier.
Bila generator sinkron dibebani akan mengalir arus dari generator ke beban.
Arus ini akan menimbulkan torsi elektrik yang melawan torsi mekanik. Pada kondisi
tunak jumlah torsi elektrik dan torsi mekanik sama dengan nol. Pada keadaan ini
generator akan berputar pada kecepatan tetap yang dinamakan kecepatan sinkron.
Namun sebelum mencapai kondisi tunak ada masa transien, yang dalam masa ini terjadi
ketidakseimbangan torsi. Ketidakseimbangan torsi menimbulkan percepatan atau
perlambatan pada kecepatan rotor generator sinkron. Persamaan gerak pada masa
transisi ini dapat dituliskan :
J   Tm  Te
(5)
J adalah momen inertia dari sistem generator, sedangkan , Tm dan Te berturut-turut
adalah sudut mekanik rotor generator, torsi mekanik dan torsi elektrik. Karena setiap
mesin memiliki redaman, maka persamaan gerak (2) dapat dituliskan sebagai berikut :
J  + D = Tm  Te
(6)
D dan  dalam persamaan (6) adalah koefisien redaman generator dan kecepatan
mekanik dari rotor generator. Persamaan (6) merupakan persamaan dasar dari gerak
mekanik generator sinkron.
ISBN : 978-979-99735-3-5
A-40-3
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi VI
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Agustus 2007
Penambahan beban menimbulkan pengurangan pada fluksi yang dihasilkan oleh
rangkaian medan. Di samping itu, penambahan beban juga mengakibatkan penurunan
tegangan terminal generator. Untuk mempertahankan nilai fluksi dan tegangan terminal
generator dipasang AVR (Automatic Voltage Regulator). AVR adalah suatu pembanding
yang membandingkan antara tegangan yang diinginkan dengan tegangan yang terjadi
sebenarnya. Selisih kedua tegangan inilah yang digunakan oleh AVR untuk mengatur
rangkaian medan agar didapat nilai tegangan dan fluksi yang konstan.
METODA PENELITIAN
Rangkaian simulasi dan parameter yang digunakan adalah sebagai berikut :
Gambar 4. Simulasi kontrol kestabilan melalui pengaturan Eksitasi
Tabel 1. Parameter Generator
Unit
Amplifier
Exciter
Generator
Sensor
PID
Gain
KA
KE
KG
KR
Konstanta
waktu
= 10 τA = 0,1
= 1
τE = 0,4
= 0,8 τG = 1,4
= 1
τR = 0,05
KP = 1, KI = 0,25, KD =
0,28
ISBN : 978-979-99735-3-5
A-40-4
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi VI
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Agustus 2007
HASIL DAN DISKUSI
Hasil simulasi dengan Matlab Simulink sebagai berikut :
Gambar 5. Grafik Perubahan Frekuensi dan tegangan pada KE =1
Frekuensi →
Tegangan →
Turun dari titik 0 ke titik (- 0.034) pada t =1,5 ms dan naik lagi ke titik
0 pada t = 3,5ms kemudian berosilasi yang akhirnya sistem menuju ke
STABIL setelah t = 10 ms.
Vt akan naik dari 0 menuju ke Vt =0,8 pada t = 1 ms dan naik lagi pada
t = 1,5 m dengan Vt = 0,95 yang kemudian akan STABIL pada Vt =1
ketika t = 7 ms.
Gambar 6. Grafik Perubahan Frekuensi dan tegangan pada KE =5
Frekuensi →
Tegangan →
Turun dari titik 0 ke titik (- 0.04) pada t =1,2 ms kemudian naik ke
titik 0,0025 pada t = 3,3ms berosilasi dan akhirnya sistem STABIL
setelah t = 12 ms.
Vt akan naik dari 0 menuju ke Vt =1 pada t = 0,5 ms dan turun lagi
kemudian berisolasi naik diatas nilai Vt =1 yang kemudian akan
STABIL setelah t = 6 ms.
ISBN : 978-979-99735-3-5
A-40-5
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi VI
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Agustus 2007
Gambar 7. Grafik Perubahan Frekuensi dan tegangan pada KE =0,5
Frekuensi → Turun ke titik (- 0.0254) pada t =1,5 ms kemudian naik ke titik -0,0025
( t = 3,6ms ) berosilasi serta menuju ke STABIL di titik 0 setelah t = 14
ms.
Tegangan → Nilai tegangan akan naik pada t = 2 ms dengan Vt = 0,8 dan t = 5 ms untuk
Vt = 0,9. Sistem akhirnya akan menjadi STABIL pada saat t = 15 ms.
KESIMPULAN
□ Nilai eksitasi KE kurang dari 1 menyebabkan generator memerlukan waktu yang cukup
lama sebelum akhirnya menjadi stabil.
□ Pada kondisi dimana KE = 5 maka frekuensi akan turun dan naik lagi kemudian
berosilasi di sekitar titik nol sementara tegangan akan berosilasi di atas nilai Vt = 1.
□ Range waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kondisi steady state pada nilai KE = 0,5
masih relatif lebih lama dibandingkan dengan kondisi bila KE = 5
REFERENSI
Acha E, Agelidis V.G, Anaya-Lara O, Miller T.J.E,“ Power Electronic Control in
Electrical Systems.” Newnes Power Engineering Series, 2002.
Hadi Saadat, “ Power System Analysis.” Mc Graw Hill, 1999
Lixin Ren, George W. Irwin, Damian Flynn, “ Nonlinear Identification and Control of a
Turbogenerator – An On Line Scheduled Multiple Model/Controller Approach.
“ IEEE Transactions On Energy Conversion, Vol. 20 No. 1, March 2005.
Machowski J, Bialek J.W, Robak S, Bumby J.R, “ Excitation Control System for use
with Synchronous Generators. “ IEE Proceeding Gener. Transm. Distrib. Vol.
145. No. 5, 1998.
Rajiv Kumar, Srikumar Devupalli, Vani Rupakula, Thomas Leibfried, “ Investigation of
the Influence of Automatic Excitation Control System on Turbine Generator
Oscillatory Behavior. “ Institute of Electric Energy Systems and High Voltage
Technology (IEH), Univ. Karlsruhe, Germany, 2005.
ISBN : 978-979-99735-3-5
A-40-6
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi VI
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Agustus 2007
Reynaldo Franscisco Nugui, “ State Estimation and Voltage Security Monitoring Using
Synchronized Phasor Measurement .” Virginia Polytecnic Institute and State
University, Blacksburg, July 2, 2001.
Rion Takahashi, Junji Tamura, Yasuhuki Tada, Atsushi Kurita, “ Model Derivation of
Adjustable Speed Generator and Its Excitation Control System. “ 14 th PSCC,
Sevilla 24 – 28 June 2002.
Yannis L. Karnavas, Demetrios p. Papadopoulos, “Excitation Control of a Synchronous
Machine using Polynomial Neural Networks.” Jounal of Electrical Engineering,
Vol. 55, No. 7-8, 2004.
ISBN : 978-979-99735-3-5
A-40-7
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi VI
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Agustus 2007
ISBN : 978-979-99735-3-5
A-40-8
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi VI
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 4 Agustus 2007
ISBN : 978-979-99735-3-5
A-40-9