Senin, 28 Juni 2010

Listrik

BAB I
PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Masalah
Listrik adalah bentuk energi sekunder yang paling praktis penggunaanya oleh manusia, dimana listrik dihasilkan dari proses konversi energi sumber primer seperti batubara, minyak bumi, gas, panas bumi, potensial air dan energi angin.
Kebutuhan listrik di masyarakat semakin meningkat seiring dengan meningkatnya pemanfaatan tenaga listrik pada peralatan-peralatan rumah tangga, kantor dan sebagainya, sehingga pasokan listrik harus ditambah yakni dengan pembangunan pembangkit listrik baru.
Selain tersedianya pembangkitan yang cukup, hal lain yang juga harus ditentukan adalah apakah kondisi transient jika terjadi gangguan akan mengganggu operasi normal sistem atau tidak. Hal ini akan berhubungan dengan kualitas listrik yang sampai ke konsumen berupa kestabilan frekuensi dan tegangan.

Sistem tenaga listrik yang baik adalah sistem tenaga yang dapat melayani beban secara kontinyu tegangan dan frekuensi yang konstan. Fluktuasi tegangan dan frekuensi yang terjadi harus berada pada batas toleransi yang diizinkan agar peralatan listrik konsumen dapat bekerja dengan baik dan aman. Kondisi sistem yang benar-benar mantap sebenarnya tidak pernah ada. Perubahan beban selalu terjadi dalam sistem. Penyesuaian oleh pembangkit akan dilakukan melalui gevernor dari penggerak mula dan eksitasi generator.
Perubahan kondisi sistem yang seketika, biasanya terjadi akibat adanya gangguan hubung singkat pada sistem tenaga listrik, dan pelepasan atau penambahan beban yang benar secara tiba-tiba. Akibat adanya perubahan kondisi kerja dari sistem ini, maka keadaan sistem akan berubah dari keadaan lama ke keadaan baru. Periode singkat di antara kedua keadaan tersebut disebut periode paralihan atau transient. Oleh karena itu diperlukan suatu analisis sistem tenaga listrik untuk menentukan apakah sistem tersebut stabil atau tidak, jika terjadi gangguan. Stabilitas transient didasarkan pada kondisi kestabilan ayunan pertama (first swing) dengan periode waktu penyelidikan pada detik pertama terjadi gangguan.
Salah satu metode yang dapat digunakan untuk menentukan kestabilan suatu sistem tenaga listrik apabila mengalami gangguan adalah metode kriteria luas sama. Walaupun metode ini tidak dapat dipergunakan untuk sistem multimesin namun sangatlah membantu untuk memahami faktor-faktor dasar yang mempengaruhi stabilitas transient sistem tenaga listrik.
Metode kriteria luas sama (Equal Area Criterion, EAC) merupakan contoh metode langsung untuk memperoleh waktu pemutusan kritis (Critical Clearing time), yang mana hanya terbatas untuk satu mesin saja dengan bus infinite (Singgle Machine Infinite Bus, SMIB). Kurva ayunan merupakan alat elevasi suatu kestabilan sistem yang digunakan kestabilan-kestabilan transient sistem tenaga lisrik.
Alat bantu dalam studi analisa sistem tenaga listrik adalah komputer, karena peranan komputer dalam Analisis Sistem Tenaga mempunyai keuntungan diantaranya fleksibel (dapat digunakan untuk menganalisis hampir semua persoalan), teliti, cepat dan ekonomis. Software komputer yang digunakan adalah Matlab, karena Matlab merupakan bahasa canggih untuk komputasi teknik. Dan Matlab merupakan integrasi dari komputasi, visualisasi dan pemrograman dalam suatu lingkungan yang mudah digunakan, karena permasalahan dan pemecahannya dinyatakan dalam notasi matematika biasa.
B. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang di atas, rumusan masalah yang dapat dikemukakan dalam studi ini adalah:
1. Bagaimana meenggunakan metode kriteria luas sama untuk menentukan kestabilan sistem tenaga listrik dalam keadaan peralihan (transient).
2. Berapa besarnya sudut pemutus kritis (Critical Clearing Angle) untuk menentukan kestabilan Sistem Tenaga Listrik dalam keadaan peralihan (tansient).
3. Berapa besarnya waktu pemutus kritis (Critical Clearing Time) untuk menentukan kestabilan Sistem Tenaga Listrik dalam keadaan peralihan (tansient).
C. Tujuan Penelitian
Tujuan studi ialah untuk menentukan apakah suatu sistem akan tetap dalam keadaan stabil setelah terjadi gangguan, bagaimana mempertahankan stabilitas transient pada sistem tenaga listrik akibat gangguan tiga fasa. Tujuan dari penelitian ini di jabarkan sebagai berikut :
1. Untuk mengetahui cara menggunakan metode kriteria luas sama untuk menentukan kestabilan sistem tenaga listrik dalam keadaan peralihan (transient).
2. Untuk memperoleh nilai besarnya sudut pemutus kritis (Critical Clearing Angle) untuk menentukan kestabilan Sistem Tenaga Listrik dalam keadaan peralihan (transient).
3. Untuk memperoleh nilai besarnya waktu pemutus kritis (Critical Clearing Time) untuk menentukan kestabilan Sistem Tenaga Listrik dalam keadaan peralihan (transient).
D. Manfaat Penelitian
Dalam penelitian ini diharapkan dapat memberikan suatu telaah tentang studi stabilitas yang disebabkan gangguan berat pada sistem tenaga listrik sehingga dapat menyebabkan ketidakstabilan sistem.
E. Asumsi dan Batasan Masalah
1. Asumsi
Untuk memudahkan perhitungan pada semua studi kestabilan dibuat tiga buah asumsi yang mendasar, yaitu:
a. dalam gulungan stator dan sistem daya, hanya diperhitungkan arus dan tegangan frekuensi serempak. Oleh karena itu, arus pergeseran dc dan komponen harmoni semuanya diabaikan
b. Komponen simetris digunakan dalam representasi gangguan tidak seimbang.
c. Tegangan yang dibangkitkan dianggap tidak dipengaruhi oleh perubahan kecepatan mesin.
2. Batasan Masalah
a. Gangguan yang dikaji yaitu gangguan tiga fasa pada sistem tenaga listrik.
b. Penerapan metode kriteria luas sama terbatas untuk satu mesin dengan bus infinite.














BAB II
KAJIAN PUSTAKA

A. Stabilitas Dalam Sistem Tenaga Listrik
Dalam keadaan operasi yang stabil dari sistem tenaga listrik terdapat keseimbangan antara daya input mekanis pada prime mover dengan daya output listrik (beban listrik) pada sistem.
Dalam keadaan ini semua generator berputar pada kecepatan sinkron. Hal ini terjadi bila setiap kenaikan dan penurunan beban harus diikuti dengan perubahan daya input mekanis pada prime mover dari generator-generator.
Bila daya input mekanis tidak cepat mengikuti dengan perubahan beban dan rugi-rugi sistem maka kecepatan rotor generator (frekuensi sistem) dan tegangan akan menyimpang dari keadaan normal terutama jika terjadi gangguan, maka sesaat terjadi perbedaan yang besar antara daya input mekanis dan daya output listrik dari generator. Kelebihan daya mekanis terhadap daya listrik mengakibatkan percepatan pada putaran rotor generator atau sebaliknya, bila gangguan tersebut tidak dihilangkan segera maka percepatan (acceleration) dan perlambatan (deceleration) putaran rotor generator akan mengakibatkan hilangnya sinkronisasi dalam sistem.
Stabilitas sistem tenaga listrik adalah suatu kemampuan sistem tenaga listrik atau bagian komponennya untuk mempertahankan sinkronisasi dan keseimbangan dalam sistem. Batas stabilitas sistem adalah daya-daya maksimum yang mengalir melalui suatu titik dalam sistem tanpa menyebabkan hilangnya stabilitas. Berdasarkan sifat gangguan masalah stabilitas sistem tenaga listrik dibedakan atas:
1. Stabilitas tetap (steady state).
2. Stabilitas peralihan (transient).
3. Stabilitas sub peralihan (dinamis).
Stabilitas steady state adalah kemampuan suatu sistem tenaga listrik mempertahankan sinkronisasi antara mesin-mesin dalam sistem setelah mengalami gangguan kecil (fluktuasi beban).
Stabilitas transient adalah kemampuan suatu sistem tenaga listrik mempertahankan sinkronisasi setelah mengalami gangguan besar yang bersifat mendadak sekitar satu ayunan (swing) pertama dengan asumsi bahwa pengatur tegangan otomatis belum bekerja.
Stabilitas dinamis adalah bila setelah ayunan pertama (periode stabilitas transient) sistem mampu mempertahankan sinkronisasi sampai sistem dalam keadaan seimbang yang baru (stabilitas transient bila AVR dan governor bekerja cepat dan diperhitungkan dalam analisis).
Pengertian hilangnya sinkronisasi adalah ketidakseimbangan antara daya pembangkit dengan beban menimbulkan suatu keadaan transient yang menyebabkan rotor dari mesin sinkron berayun karena adanya torsi yang mengakibatkan percepatan atau perlambatan pada rotor tersebut. Ini terjadi bila torsi tersebut cukup besar, maka salah satu atau lebih dari mesin sinkron tersebut akan kehilangan sinkronisasinya, misalnya terjadi ketidakseimbangan yang disebabkan adanya daya pembangkit yang berlebihan, maka sebagian besar dari energi yang berlebihan akan diubah menjadi energi kinetik yang mengakibatkan percepatan sudut rotor bertambah besar, walaupun kecepatan rotor bertambah besar, tidak berarti bahwa sinkronisasi dari mesin tersebut akan hilang, faktor yang menentukan adalah perbedaan sudut rotor atau daya tersebut diukur terhadap referensi putaran sinkronisasi.
Faktor-faktor utama dalam masalah stabilitas adalah:




Gambar 2.1. Diagram faktor-faktor utama dalam masalah kestabilan
Keterangan :
PM = Prime Mover
G = Generator sinkron
X = Reaktansi saluran
SL = Sumbu beban
1. Faktor mekanis dapat berupa:
a. Torsi input prime beban.
b. Inersia dari prime mover dan generator.
c. Inersia motor dan sumbu beban.
d. Torsi input sumbu beban.
2. Torsi elektris berupa:
a. Tegangan internal dari generator sinkron.
b. Reaktansi sistem.
c. Tegangan internal dari motor sinkron.
B. Dinamika Rotor Dan Persamaan Ayunan
Persamaan yang mengatur gerakan rotor suatu mesin serempak didasarkan pada prinsip dasar dinamika yang menyatakan bahwa momen putar percepatan (accellerating torque) adalah hasil kali dari momen-momen kelembaman (moment of inertia) rotor dan percepatan sudutnya. Dalam sistem unit-unit MKS dan untuk generator serempak, persamaan ini dapat ditulis dalam bentuk:
J = Ta = Tm – Te N-m (2.1)
simbol-simbol di atas mempunyai arti sebagai berikut:
J = Momen kelembaman total dari massa rotor dalam kg-m2
θm = Pergeseran sudut dari rotor terhadap suatu sumbu yang diam (stationary),
dalam radian mekanis
t = Waktu, dalam detik
Ta = Momen putar percepatan bersih, dalam Nm
Tm = Momen putar mekanis atau poros (penggerak) yang diberikan oleh
penggerak mula dikurangi dengan momen putar perlambatan (retarding) yang disebabkan oleh rugi-rugi perputaran, dalam Nm
Te = Momen putar elektris atau elektromagnetis bersih, dalam Nm
Momen putar mekanis Tm dan momen putar elektris Te dianggap positif untuk generator serempak. Ini berarti bahwa Tm adalah resultan momen putar poros yang mempunyai kecenderungan untuk mempercepat rotor dalam arah putaran θm yang positif seperti ditunjukkan Gambar 2.2a. Untuk generator yang bekerja dalam keadaan tetap, Tm dan Te adalah sama sedangkan momen putar Ta sama dengan nol. Dalam keadaan ini tidak ada percepatan atau perlambatan terhadap massa rotor dan kecepatan tetap resultan adalah kecepatan serempak. Massa yang berputar meliputi rotor dari generator dan penggerak mula dikatakan dalam keadaan serempak dengan mesin lainnya yang bekerja pada kecepatan serempak dalam sistem daya tersebut. Penggerak mulanya mungkin berupa suatu turbin air atau turbin uap dan untuk masing-masing turbin sudah ada model dengan bermacam-macam tingkat kesulitan untuk melukiskan pengaruh pada Tm.





Gambar 2.2. Representasi suatu rotor mesin yang membandingkan arah perputaran serta momen putar mekanis dan elektris untuk (a) generator dan (b) motor (Stevenson, 1996:352).

Tm dianggap konstan pada setiap keadaan kerja yang diberikan. Anggapan ini cukup baik untuk beberapa generator meskipun masukan dari penggerak mulanya diatur oleh regulator (governor). Regulator tidak bekerja sebelum dirasakan perubahan pada kecepatan. Momen putar elektris Te bersesuaian dengan daya bersih celah udara mesin. Dengan demikian adalah daya keluaran total dari generator ditambah dengan rugi-rugi │I2│ R dalam gulungan jangkar. Dalam motor serempak arah aliran daya berlawanan dengan generator. Oleh karena itu untuk motor, Te dan Tm pada persamaan (2.1) akan terbalik tandanya seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.2b. Di sini Te adalah daya celah udara yang diberikan oleh sistem tenaga listrik untuk menggerakkan rotor, sedangkan Tm merupakan momen putar tandingan (counter torque) beban dan rugi putaran yang cenderung untuk memperlambat rotor.
Karena θm diukur terhadap sumbu pedoman yang diam pada stator maka θm adalah ukuran absolut sudut rotor. Karena itu pula θm akan terus bertambah dengan waktu bahkan pada kecepatan serempak yang konstan. Karena itu menaruh perhatian pada kecepatan rotor relatif terhadap kecepatan serempak adalah lebih mudah untuk mengukur posisi sudut rotor terhadap sumbu pedoman yang berputar dengan kecepatan serempak.
Dengan demikian
θm = ωsm t + δm (2.2)
di mana
ωsm = Kesepatan serempak mesin dalam radius mekanis per detik
δm = Pergeseran sudut rotor dalam radius mekanis dari sumbu
pedoman yang berputar dengan kecepatan serempak dalam
radian mekanis
Dengan menurunkan persamaan (2.2) terhadap waktu diperoleh
= ωsm + (2.3)
dan
= (2.4)
di mana
= Kecepatan sudut rotor dalan radian mekanis per detik
= Penyimpangan kecepatan rotor dari keadaan rotor keadaan
serempak dan unit ukurannya adalah radian mekanis per detik
Persamaan (2.4) memberikan kecepatan rotor yang diukur dalam radian mekanis per detik pangkat dua. Dengan mensubstitusikan persamaan (2.3) dan (2.4) diperoleh
J = Ta = Tm – Te Nm (2.5)
Untuk mempermudah notasinya
ωsm = (2.6)
Daya adalah perkalian antara momen putar dengan kecepatan sudut, maka
J ωm = Pa = Pm – Pe Nm (2.7)
di mana
Pm = Masukan daya poros ke mesin dikurangi dengan rugi-rugi
perputaran dalam Watt.
Pe = Daya listrik pada celah udaranya dalam Watt.
Pa = Daya percepatan yang memperjelas ketidakseimbangan antara
kedua daya dalam Watt.
J ωm = Momentum sudut (anguler momentum) rotor pada kecepatan
serempak.
Biasanya rugi-rugi perputaran dan rugi-rugi │I2│ R jangkar dapat diabaikan sehingga Pm dapat dianggap sebagai daya yang dicatu oleh penggerak mula Pe sebagai keseluruhan daya listrik.
Koefisien jωm adalah momentum sudut (anguler momentum) rotor pada kecepatan serempak ωsm. Momen ini dapat dinyatakan dengan M dan disebut konstanta kelembaman (inertia constant) dari mesin tersebut. Jelas bahwa unit-unit yang menyatakan M harus sesuai dengan unit untuk j dan ωm. Dengan meneliti unit pada masing-masing suku persamaan (2.7) diperoleh M dinyatakan dalam joule-detik per-radian dan dapat dituliskan dengan
M = Pa = Pm – Pe W (2.8)
Meskipun menggunakan M dalam persamaan ini, koefisien tersebut bukanlah suatu konstanta dalam arti yang sebenarnya karena ωm tidak sama dengan kecepatan serempak pada semua keadaan kerja, tetapi dalam praktik ωm tidak berlaku berbeda dari kecepatan serempak bila mesin stabil dan karena daya lebih memudahkan perhitungan dari momen putar, persamaan (2.8) lebih banyak dipilih. Dalam data mesin yang diberikan untuk keperluan studi kestabilan, suatu konstanta yang hubungannya dengan kelembaman, konstanta dinamakan H yang didefinisikan sebagai
H =
dan
H = = = MJ / MVA (2.9)
di mana
Smach = Batas kemampuan kerja (rating) tiga fasa dalam MVA.
H = Konstanta yang berhubungan dengan kelembaman.
Dengan menyelesaikan untuk M pada persamaan (2.9) diperoleh
M = Smach MJ/radian mekanis (2.10)
dan dengan memasukkan persamaan (2.1) diperoleh
= = (2.11)
Bahwa δm pada pembilang persamaan (2.28) dinyatakan dalam radian mekanis sedangkan ωm pada penyebut dinyatakan dalam radian mekanis per detik. Oleh karena itu dapat ditulis
= Pa = Pm – Pe per unit (2.12)
di mana
ωs = Kecepatan serempak dalam satuan listrik untuk suatu sistem
dengan frekuensi sebesar Hz
Asal saja δ maupun ωs mempunyai satuan konsisten yang mungkin dalam derajat mekanis, listrik, atau radian. H dan t mempunyai satuan konsisten karena megajoule per megavoltampere adalah dalam satuan detik dan Pa, Pm, dan Pe harus dalam satuan dengan dasar yang sama seperti H. Bila subskrip M dihubungkan pada ω, ωs, dan δ, itu berarti bahwa yang digunakan adalah satuan mekanis, jika tidak demikian yang dimaksud adalah daya listrik. Persamaan (2.12) menjadi
= Pa = Pm – Pe per unit (2.13)
Bila δ dinyatakan dalam radian listrik sedangkan
= Pa = Pm – Pe per unit (2.14)
Persamaan (2.14) disebut persamaan ayunan mesin merupakan persamaan dasar yang mengatur dinamika (gerak) putar mesin serempak. Dalam studi kestabilan persamaan tersebut adalah persamaan differensial orde kedua yang dapat dituliskan sebagai dua buah persamaan differensial orde pertama di mana ω, ωs
= Pm – Pe per unit (2.15)
= ω – ωs (2.16)
dan δ adalah menyangkut radian listrik dan derajat listrik. Berbagai bentuk ekuivalen dari persamaan akan digunakan untuk menentukan sebuah mesin dalam sistem daya. Bila persamaan tersebut diselesaikan maka diperoleh rumusan untuk δ sebagai fungsi waktu. Grafik penyelesaian ini disebut kurva ayunan (swing curve) mesin dan dengan meneliti kurva ayunan semua mesin dalam sistem akan terlihat bahwa mesin akan serempak meskipun terjadi gangguan.
C. Pemodelan Mesin Serempak untuk studi kestabilan
Sebuah Generator dihubungkan ke Infinite bus sebagaimana dinyatakan pada gambar 2.3:





Gambar 2.3. Sebuah generator dihubungkan ke infinite bus
(Cekdin.2006:232)
Tegangan generator adalah konstan dengan reaktansi transient sumbu langsung X’d. Representasi titik tegangan terminal generator Vg dapat dieliminasi dengan mentransformasikan impedansi dari hubungan Y ke hubungan Δ, sehingga admitansi yang dihasilkan adalah :

(2.17)

Rangkaian ekivalen dengan tegangan dinyatakan oleh titik l dan infinite bus oleh titik 2 dapat diperlihatkan pada gambar 2.4 Penulisan persamaan node (titik simpul) adalah :
(2.18)

Persamaan di atas dapat ditulis dalam bentuk matriks admitansi sebagai berikut :
(2.19)





Gambar 2.4. Rangkaian ekivalen satu mesin terhubung ke infinite bus
(Cekdin.2006:233)
Elemen diagonal dari matriks admitansi bus adalah Y11 = y10 + y12, dan Y22 = y20 + y12, elemen bukan diagonal adalah Y12 = Y21 = -y12, dengan menyatakan tegangan dan admitansi dalam bentuk polar, maka daya nyata pada titik 1 diberikan oleh:


Atau
(2.20)
Jika harga θ11 = θ12 = 90 0, dan Y12 = B12 = , sehingga persamaan (2.20), menjadi:

Atau
(2.21)
Dari persamaan (2.21) di atas dapat dinyatakan bahwa hubungan daya yang ditransmisikan tergantung pada reaktansi X12 dan sudut δ dikenal sebagai kurva sudut daya yang dapat diperlihatkan pada gambar 2.5.






Gambar 2.5. Kurva sudut daya
(Cekdin.2006:233)
Daya maksimum dapat dipandang sebagai batas stabilitas keadaan mantap (Steady State Stability Limit), terjadi pada sudut 90 0 yang dinyatakan dengan:
(2.22)
Sehingga persamaan daya listrik dalam bentuk Pmak adalah:
(2.23)
Jika generator tiba-tiba terhubung singkat, maka tegangan E’ dapat dihitung dengan:
(2.24)
Dengan Ia adalah arus generator sebelum gangguan.
D. Menentukan Stabilitas Transient dengan metode Kriteria Luas Sama
Studi stabilitas transient meliputi penentuan tercapai atau tidaknya keserempakan setelah mesin mengalami gangguan. Gangguan tersebut dapat berupa pembebanan tiba-tiba, kehilangan pembangkit, kehilangan beban yang besar, ataupun gangguan pada sistem.
Suatu metode yang dapat digunakan untuk memprediksi stabilitas yang cepat adalah metode kriteria luas sama. Metode ini hanya dapat dipakai untuk suatu sistem satu mesin yang terhubung ke infinite bus atau sistem dua mesin. Persamaan (2.13) dapat digunakan untuk menurunkan metode kriteria luas sama sebagai berikut:

Dengan Pa adalah daya percepatan. Dari persamaan di atas di dapatkan:

Jika kedua sisi kiri dan kanan dari persamaan di atas dikalikan dengan 2dδ/dt, didapatkan:

Dapat ditulis dalam bentuk yang lain sebagai berikut:

Atau

Integrasi kedua sisi kiri dan kanan menghasilkan:

Atau
(2.25)
Bila pada persamaan (2.25) kecepatanya menjadi nol sesaat setelah gangguan, maka di dapatkan kriteria luas sama sebagai berikut:
(2.26)
Mesin bekerja pada titik setimbang δ0. Pada titik ini daya input mekanik Pm0 = Pe0 seperti ditunjukan pada gambar 2.6. Penambahan daya input tiba-tiba yang dinyatakan oleh garis horizontal Pm1. Dengan Pm1 > Pe0, daya percepatan pada rotor adalah positif dan sudut daya δ bertambah. Kelebihan energi yang tersimpan pada rotor selama percepatan awal adalah :
= luas abc = luas A1 (2.27)
Dengan penambahan δ, daya listrik bertambah, dan pada saat δ = δ1 maka daya input yang baru adalah Pm1. Walaupun daya percepatan adalah nol pada titik ini, rotor berputar di atas kecepatan serempak. Oleh karena itu sudut daya δ dan daya listrik Pe bertambah secara kontinyu.







Gambar 2.6. Kriteria luas sama pada perubahan beban mendadak
(Cekdin.2006:235)

Sekarang Pm < Pe yang menyebabkan motor diperlambat kearah kecepatan serempak hingga δ = δmak, maka kelebihan energi yang tersimpan pada rotor selama perlambatan adalah sebagai berikut :
= luas bde = luas A2 (2.28)
Dari persamaan (2.27) dan (2.28) didapatkan suatu hubungan :
|luas A1| = |luas A2| (2.29)
Persamaan (2.29) dikenal sebagai kriteria luas sama.
E. Aplikasi pada Gangguan Tiga Fasa
Beberapa jenis gangguan dapat digolongkan sebagai :
1. gangguan tunggal dari saluran ke tanah
2. gangguan antar saluran
3. gangguan ganda dari saluran ke tanah
4. gangguan 3 fasa.
Gangguan tunggal dari saluran ke tanah adalah yang paling sering terjadi, sedangkan gangguan 3 fasa adalah yang paling jarang. Untuk keandalan yang sempurna, suatu sistem harus dirancang untuk kestabilan peralihan terhadap gangguan tiga fasa pada lokasi yang menimbulkan pengaruh terburuk, dan ini sudah merupakan praktek yang dijalankan secara universil (Stevenson.1996:373).
Perhatikan gambar 2.7 di mana sebuah generator di hubungkan ke infinite bus melalui dua kawat pararel. Gangguan tiga fasa sesaat terjadi pada salah satu saluran dekat bus1. anggap bahwa daya masukan mekanis Pm adalah konstan dan mesin beroperasi dalam keadaan stabil. Daya yang dialirkan ke sistem dengan sudut δ0 seperti ditunjukan pada gambar 2.8

Gambar 2.7. Sistem satu mesin terhubung ke infinite bus, gangguan tiga fasa pada F
Bila gangguan berada pada ujung sisi kirim, yaitu pada titik F, tidak ada daya yang dikirim ke Infinite bus. Selama gangguan terjadi, daya listrik Pe adalah nol. Sementara masukan daya mekanis Pm tidak berubah seperti terlihat pada gambar 2.8.





Gambar 2.8. Kriteria Luas sama untuk gangguan tiga fasa pada ujung kirim
(Cekdin.2006:236)
Pada gambar 2.8 sudut motor maju dari δ0 ke sudut pemutus kritis δk yang berarti berubah dari titik b ke titik c. bila gangguan dihilangkan pada sudut δk, keluaran daya listrik mendadak naik ke titik d pada lengkung sudut daya. Pada titik d, keluaran daya listrik Pe melebihi masukan daya mekanis Pm sehingga daya Percepatan Pa adalah negative. Akibatnya kecepatan rotor menurun sementara Pe berubah dari titik d ke titik e. pada titik e kecepatan rotor kembali serempak meskipun sudut rotor sudah maju sampai δmak. Sudut δmak ditentukan dari kriteria luas sama yaitu A1 = A2.
Sudut pemutus kritis δk (Critical Clearing Angle) ini dapat dicari dengan menggunakan kriteria luas sama seperti ditunjukan pada gambar 2.9 sebagai berikut:

Dengan mengintegrasikan kedua sisi kiri dan kanan didapatkan:

Penyelesaian untuk harga δk adalah:
(2.30)





Gambar 2.9. Kriteria Luas Sama untuk mencari sudut pemutus kritis akibat gangguan tiga fasa pada ujung kirim (Cekdin.2006:237)

Untuk menentukan waktu pemutus kritis tk, diperlukan penyelesaian persamaan ayunan non linear. Dalam hal ini, dimana daya listrik selama gangguan adalah nol, penyelesaian analitik untuk waktu pemutus kritis (Critical Clearing Time) dapat ditentukan. Dari persamaan ayunan yang diberikan oleh persamaan (2.13) dapat ditentukan waktu pemutus kritis, dimana selama gangguan terjadi Pe = 0, sehingga waktu pemutus kritis dapat ditentukan sebagai berikut:

Atau

Integrasi kedua sisi kiri dan kanan menghasilkan:

Dengan mengintegrasikan sekali lagi didapatkan:

Kemudian δk adalah sudut pemutus kritis (Critical Clearing Angle) yang hubunganya dengan waktu pemutus kritis adalah:
(2.31)
Sekarang perhatikan lokasi gangguan F yang terpisah (jauh) dari sisi kirim, seperti yang ditunjukan pada gambar 2.10.





Gambar 2.10. Sistem satu mesin terhubung ke infinite bus, gangguan tiga fasa pada F

Jika daya ditransfer sebelum gangguan adalah Pmaksin δ, selama gangguan daya di transfer adalah r1 P2mak sin δ. Dengan menggunakan kriteria luas sama dari gambar 2.11dapat ditentukan sudut pemutus kritis sebagai berikut:









Gambar 2.11. Kriteria Luas sama untuk sudut pemutus kritis akibat gangguan tiga fasa yang jauh dari ujung kirim (Cekdin.2006:238)

Dengan mengintegrasikan kedua sisi kiri dan kanan akhirnya didapatkan sudut pemutus kritis δk sebagai berikut:
(2.32)
F. Penyelesaian Numerik Persamaan Diferensial Nonlinear
Kondisi peralihan dari sistem tenaga listrik pada saat gangguan dilukiskan secara matematis melalui persamaan diferensial. Salah satu metode numerik yang dapat digunakan untuk menyelasaikan persamaan diferensial tersebut adalah Metode Runge-Kutta Orde 4.









(a) (b)
Gambar 2.12. (a) analisa ayunan pertama untuk contoh sistem stabil, (b) analisa ayunan pertama untuk contoh sistem tidak stabil.

Metode Runge-Kutta dikembangkan untuk menghindari penghitungan turunan-turunan yang berorde lebih tinggi. Sebagai ganti dari turunan-turunan ini maka digunakan nilai-nilai tambahan dari fungsi f(x,y) yang diberikan, dengan cara yang yang pada pokoknya merupakan duplikat dari ketelitian sebuah polinomial taylor. Kesederhanaanya telah membuat metode ini menjadi sangat populer, metode tersebut dapat diturunkan seperti dibawah ini:
1. Metode Runge-Kutta Orde 4
Dengan Penyelesaian Runge-Kutta Orde 4, dimana untuk menentukan harga x(t), tentukan terlebih dahulu empat konstanta berikut:
(2.33)
(2.34)
(2.35)
(2.36)
Sehingga algoritma perhitungan untuk harga x berturut-turut dapat dicari dengan persamaan berikut :
(2.37)
2. Penyelesaian Numerik Persamaan Ayunan
Untuk menentukan penyelesaian persamaan ayunan pada gambar 2.11 dimana daya input Pm diasumsikan konstan, pada operasi steady state dimana Pe = Pm dan sudut daya mula-mula diberikan oleh :

Dengan

Dan X1 adalah reaktansi transfer sebelum gangguan. Rotor berputar pada kecepatan sinkron dan kemudian kecepatan putar berubah menjadi nol, sehingga :

Gangguan tiga fasa terjadi salah satu pertengahan saluran sehingga persamaan sudut daya menjadi

Dengan X2 adalah reaktansi transfer selama gangguan. Dengan demikian persamaan ayunan yang diberikan oleh persamaan (2.13) adalah:

Persamaan ayunan diatas ditransformasikan kedalam bentuk pernyataan variabel sebagai berikut:
(2.38)

Sekarang akan diterapkan kedalam metode Runge-Kutta Orde 4:
Untuk menentukan harga δ dan ω dengan penyelesaian metode Runge-Kutta orde 4, terlebih dahulu tentukan harga-harga k1, k2, k3, k4, l1, l2, l3 dan l4, yaitu sebagai berikut :

(2.39)
(2.40)
(2.41)
(2.42)
(2.43)
(2.44)
(2.45)
(2.46)
Selanjutnya harga δ dan ω dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan seperti berikut :
(2.47)
(2.48)










BAB III
METODE PENELITIAN

Agar tercapainya tujuan penelitian, maka penelitian ini menggunakan metode atau pendekatan dalam melakukan penelitian. Metode penelitian yang dipilih bertujuan untuk menyelesaikan permasalahan tentang studi kestabilan sistem daya.
A. Jenis/Pendekatan Penelitian
Penelitian ini adalah jenis penelitian studi literatur dan simulasi model. Simulasi model adalah suatu penelitian yang didasarkan pada pemodelan sistem dan permasalahan yang ada dengan bahasa pemrograman Matlab.
Studi literatur dilakukan untuk mencari data sekunder yang akan mendukung data penelitian, juga diperlukan untuk mengetahui sampai kemana ilmu yang berhubungan dengan penelitian telah berkembang, sampai ke mana terdapat kesimpulan dan degenaralisasi yang pernah dibuat, sehingga situasi yang diperlukan dapat diperoleh.
B. Sumber Data dan Data Penelitian
Sebagaimana telah disebutkan diatas bahwa peneliti menggunakan metode penelitian studi literatur dan simulasi model. Model simulasi di ambil dari Gross, C.A. (1979:459).
C. Teknik Analisis Data
Teknik analisa data sangat diperlukan, proses analisis data mulai dilakukan dengan memasukan data simulasi yang diperoleh. Data-data atau parameter tersebut dengan metode kriteria luas sama di analisis dengan menggunakan bahasa pemrograman Matlab, sehingga diperoleh hasil analisis yang valid dan obyektif. Teknik analisa data menggunakan kriteria luas sama dengan alur penelitian sebagai berikut.
1. Algoritma penelitian.


Gambar 3.1.(a) Flowchart program

Gambar 3.1.(b) Flowchart program
Keterangan :
Data dalam sistem sesuai dengan Grooss, C.A. (1979:459):
1. Menghitung Arus yang mengalir ke Infinite bus (I)

2. Menghitung reaktansi transfer antara tegangan internal dan infinite bus : - Sebelum gangguan (X1)
- Selama gangguan (X2)
- Setelah Gangguan (X3)
3. Menghitung harga r1 dan r2
.r1 = .r2 =
4. Menghitung tegangan internal transient (E’)
E = V + jX1 x I
5. Menghitung sudut kerja awal (δ0)
Pmak =
δ0 =
6. Menghitung sudut ayunan maksimum (δmak)


7. Menghitung sudut pemutus kritis (δk)


8. Masukan waktu pemutusan mulai dari nol sampai satu detik (tp)
9. Hitung nilai delta dan omega sebelum waktu pemutusan dengan metode Runge-Kutta Orde 4.








Selanjutnya harga δ dan ω dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan seperti berikut :


10. Hitung nilai delta dan omega sesudah waktu pemutusan dengan metode Runge-Kutta Orde 4.








Selanjutnya harga δ dan ω dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan seperti berikut :


2. Pengujian
a. Bila waktu pemutusan (breaker terbuka) dengan nilai sudut clearing (clearing angle) lebih kecil dari nilai sudut pemutus kritis.
b. Bila waktu pemutusan (breaker terbuka) dengan nilai sudut clearing (clearing angle) lebih besar dari nilai sudut pemutus kritis.

DAFTAR PUSTAKA

Stevenson, W.D. 1996. Analisis Sistem Tenaga Listrik. Kamal Idris, Penterjemah. Jakarta: Erlangga.
Gross, C.A. 1979. Power System Analysis. New York. John Wiley & Sons.
Wrahatnolo, Tri. Diktat Mata Kuliah Analisa Sistem Tenaga Listrik II. Surabaya.
Cekdin, Cekmas. 2006. Sistem Tenaga Listrik. Yogyakarta: Penerbit Andi.
Hanselman, D., dan B. Littlefield, 2000. Matlab Bahasa Komputasi Teknis. Yogyakarta : Penerbit Andi.
Sugiharto, Aris.2006. Pemrograman GUI dengan Matlab. Yogyakarta : Penerbit Andi.
Scheid, Francis. 1992. Analisis Numerik Teori dan Soal-Soal. Pantur Silaban Ph.D, Penterjemah. Jakarta: Erlangga.
Darmawan, Agung. 2002. Studi Stabilitas Transient Sistem Tenaga Listrik Menggunakan Kriteria Luas Sama. Skripsi tidak diterbitkan. Surabaya: JPTE FT Unesa.
--------- .2006. Panduan Penulisan dan Penilaian Skripsi. Surabaya : Unesa University Press.

---------------------------------------------------------------------
MUSTOFA ABI HAMID
Excel Group
BPH Masjid Al-Wasi’i Unila
Jl.Sumantri Brojonegoro no.13 Gedung Meneng PostCode:35145
Bandar Lampung - Indonesia
Phone: (0721) 783044.
HP. : 0857.6837.3366
e-mail: abi.sma4@gmail.com
abi.unila@yahoo.co.id

2 komentar:

  1. biza tdk didownload file Lengkapx??? zy penasaran dengan peneLitian ini "Stabilitas Sistem Tenaga Listrik"

    BalasHapus
  2. mhn mf link downloadnya blm sy buat...
    (admin)

    BalasHapus