4. STABILITAS FREKUENSI (FREQUENCY STABILITY)
4.1
Pengantar Stabilitas Frekuensi
4.1.1 Konsep Dasar dan Definisi Stabilitas frekuensi adalah kemampuan suatu sistem tenaga untuk menjaga frekuensi dalam batas nominal setelah terjadi suatu gangguan yang menyebabkan ketidakseimbangan yang signifikan antara pembangkitan dan beban. Ketidakseimbangan ini dapat menyebabkan suatu bentuk ayunan frekuensi yang berdampak pada trip unit pembangkit dan/atau beban. Secara umum, masalah stabilitas frekuensi dapat dikaitkan dengan kekurangan respon peralatan, kekurangan koordinasi kontrol dan proteksi sistem. Pada sistem interkoneksi yang kecil, stabilitas frekuensi menjadi perhatian yang utama untuk setiap gangguan yang menyebabkan hilangnya beban atau generator secara signifikan. Hal ini karena untuk sistem yang kecil indeks kekuatan sistemnya masih kecil. Besarnya perubahan daya yang menyebabkan frekuensi berubah satu Hz, disebut indeks kekuatan sistem dalam satuan MW/Hz. Sedangkan pada sistem interkoneksi yang besar tentunya indeks kekuatan sistemnya juga
besar. Kestabilan frekuensi yang disebabkan disebabkan oleh fluktuasi frekuensi dalam batasan
normal sudah tidak menjadi masalah yang utama. Akan tetapi, stabilitas frekuensi yang menjadi perhatian utama adalah terjadinya gangguan besar yang menyebabkan sistem terpisah menjadi beberapa island operation, baik berupa island sistem maupun island subsistem. Pada kondisi ini, kestabilan frekuensi ditinjau berdasarkan kemampuan island untuk menyeimbangkan jumlah pembangkitan dan total beban, dengan jumlah pelepasan beban atau pembangkit seminimal mungkin.
4.1.2 Respon Sistem Terhadap Ketidak-seimbangan Pembangkitan dan Beban Ketidakseimbangan antara pembangkitan dan beban akan mengakibatkan deviasi frekuensi yang direspon oleh speed control pada pembangkit dan dilanjutkan dengan respon oleh prime mover dan suplai energi. Pada kondisi ini sering ditambah dengan keadaan tegangan yang tinggi atau rendah.
Untuk island dengan kondisi kekurangan pembangkitan, maka: -
Frekuensi akan turun
-
Jika cadangan putar generator tidak tersedia, frekuensi akan turun sampai pada titik yang dapat menyebabkan unit pembangkit trip akibat kerja dari proteksi underfrequency relay.
-
Pada kondisi ini diperlukan skema Under Frequency Load Shedding untuk mengembalikan frekuensi ke titik normalnya (50 Hz)
-
Besar jumlah trafo yang terpasang relay under frekuensi dihitung berdasarkan selisih antara total beban island dikurangi dengan daya pembangkit di island tersebut.
Sedangkan untuk kondisi kelebihan pembangkitan, maka: -
Governor akan merespon kenaikan frekuensi dengan menurunkan daya keluaran generator.
-
Performa dari island operation operation sangat ditentukan oleh kemampuan pembangkit untuk melakukan ”partial load rejection”.
-
Kemungkinan satu atau beberapa pembangkit akan trip karena overspeed relay.
Ketidaksetimbangan antara pembangkit dan beban juga berdampak pada ketidaksetimbangan daya reaktif. Ketidakseimbangan daya reaktif antara pasokan dan permintaan menyebabkan perubahan tegangan dari nilai nominalnya. Apabila ketidakseimbangan ini cukup signifikan, kondisi overvoltage atau sebaliknya undervoltage akan terjadi. Pada sisi generator, proteksi untuk under/over eksitasi dan loss-of-excitation mungkin akan bereaksi. Sedangkan respon masing-masing pembangkit apabila sistem mengalami gangguan besar bervariasi sesuai dengan jenis pembangkitnya. Kemampuan pembangkit untuk menurunkan bebannya ( Partial load rejections) sangat penting untuk meminimalkan dampak dari gangguan besar di sistem dan membantu mempercepat mengembalikan kondisi sistem ke ”normal state”.
Ada beberapa beberapa hal yang harus harus diperhatikan diperhatikan dalam dalam kondisi gangguan gangguan besar, yaitu yaitu : a)
Alat kontrol pembangkit Alat kontrol pembangkit pembangkit harus dengan cepat menurunkan input bahan bakar yang berhubungan dengan besar keluaran listrik generator.
b)
Kontrol boiler Kontribusi dalam Partial load rejections pembangkit di boiler adalah dengan menurunkan keluaran aliran uap dan masukan air di boiler.
c)
Kontrol turbin generator Kontrol overspeed di turbin didesain untuk membatasi overspeed karena full load rejection sebesar 1% dibawah setting trip karena overspeed. Hal ini akan mencegah pembangkit trip karena overspeeds selama partial load rejections.
d)
Alat – alat bantu di pembangkit Dampak dari perubahan tegangan dan frekuensi selama periode gangguan harus di pastikan tidak sampai mentripkan alat bantu.
4.1.3 Faktor Yang Mempengaruhi Penurunan Frekuensi Kecepatan menurunan frekuensi dipengaruhi oleh: a/. Besarnya pembangkit yang hilang (trip), dan b/. Nilai inersia sistem. Semakin besar daya unit pembangkit yang hilang semakin besar turun frekuensinya, dan begitu juga semakin kecil inersia sistem makin cepat turun frekuensinya. Hubungan tersebut dapat dilihat pada persamaan 4.2.
Gambar 4.1
Pengaruh besar pembangkit yang trip terhadap penurunan frekuensi
Konstanta inersia pembangkit (H) merupakan konstanta dari karakteristik kelambanan suatu mesin berputar. Suatu mesin generator yang sebelumnya berputar pada kecepatan konstan pada frekuensi nominalnya akan mengalami perlambatan setelah terjadi kelebihan beban. Perlambatan ini terjadi karena adanya energi kinetik yang tersimpan dalam putaran
rotor. Mula-mula kelebihan beban ini dilayani oleh sebagian energi kinetik yang dimiliki mesinmesin tersebut. Hai inilah yang menyebabkan frekuensi sistem turun. Dengan demikian konstanta inersia dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara kinetik yang tersimpan pada rotor yang berputar pada frekuensi nominal dengan daya generatornya. Nilai konstanta inersia dari suatu unit pembangkit telah ditentukan oleh pabrikan atau juga dapat ditentukan dengan persamaan berikut:
= ( ())/( () ) … … … … … (4.1) Respon Frekuensi Terhadap Waktu Penurunan frekuensi rata-rata: ()
=
2( + )
……………………………………………………………………………..(4.2)
dimana: dfave(t)/dt
=
Rata-rata penurunan prekuensi pada sistem
DPG
=
Beban Unit Pembangkit Trip ( MW )
H1, H2
=
Koefisien Inersia Area 1 dan Area 2
Dari persamaan diatas, semakin besar konstanta inersia sistem, laju penurunan frekuensi semakin lambat. Besaran inersia sistem (H) merupakan ukuran kekakuan sistem ( Stiffness).
Gambar 4.2
Pengaruh inersia pembangkit terhadap penurunan frekuensi
4.1.4 Skema Pertahanan Proteksi Frekuensi Skema Under Frequency Load Shedding (UFLS) UFLS adalah skema yang menggunakan elemen frekuensi dan delay waktu untuk mendeteksi kondisi underfrequency dan memutus secara selektif beban dari sistem. Dengan UFLS ini diharapkan ancaman-ancaman gangguan frekuensi yang mengarah pada instabilitas sistem dan atau sistem padam total (blackout) dapat dihindari. UFLS juga bertujuan untuk menghindari potensi kerusakan sudu-sudu turbin generator (khususnya PLTU) yang rentan terhadap frekuensi rendah Jenis UFLS : 1. Konvensional: dengan relay frekuensi 2. Semi-adaptif: dengan melihat df/dt 3. Adaptif: menggunakan besar (magnitude) gangguan
Islanding operation Islanding operation adalah operasi unit / entitas pembangkit secara terpisah dari sistem interkoneksi induknya ketika terjadi gangguan penurunan frekuensi yang cukup besar dan berpotensi menyebabkan runtuhnya seluruh subsistem atau seluruh sistem. Islanding operation sebagai perlindungan terakhir akan bekerja setelah semua tahapan skeme pertahanan yang lain dilaksanakan tetapi frekuensi masih tetap turun. Islanding operation merupakan sistem defense scheme yang sangat penting dan menentukan kontinuitas operasi sistem selanjutnya. Dalam desain skema pertahanan proteksi frekuensi, harus diperhatikan beberapa hal seperti : - Keseimbangan pembangkitan & beban tiap pulau - Setting frekuensi dan relay - Jumlah beban yang dilepas (besar & step-nya) - Pertimbangan tambahan: koherensi generator
4.2
Praktikum Stabilitas Frekuensi
4.2.1
Membuat dan Menjalankan Simulasi Stabilitas Frekuensi Langkah – langkah yang harus dilakukan dalam membuat dan menjalankan simulasi stabilitas frekuensi adalah sebagai berikut:
1.
Aktivasi Project
2.
Input Parameter Dinamik di Komponen Tenaga Listrik
Sudah dilakukan di subbab 3.2.1 3.
Penentuan skenario gangguan
Untuk menentukan skenario gangguan, klik kanan pada generator di diagram atau di daftar peralatan pada data manager kemudian klik Define > Switch Event .
Pada praktikum ini, gangguan yang terjadi adalah trip pembangkit G3.
Tentukan waktu awal terjadi gangguan ( event ) pada simulasi. Karena gangguan berupa trip pembangkit, maka pilih Open pada Action di Breaker or Element dan pilih All Phases (semua fasa PMT terbuka).
Daftar kejadian (event) dapat dilihat dengan klik
(Edit Simulation Events).
4.
Pemilihan parameter yang akan ditampilkan
Untuk menampilkan parameter yang akan ditampilkan, klik kanan pada peralatan sistem tenaga listrik (generator, saluran transmisi, busbar, trafo, dll) di diagram atau di daftar peralatan pada Data Manager kemudian pilih Define > Variable Set (Sim). Pada praktikum ini, parameter yang akan ditampilkan adalah frekuensi di pembangkit G2.
Kemudian klik kanan pada peralatan > Edit > pilih variabel yang akan ditampilkan.
Daftar peralatan dengan variabel yang akan ditampilkan dapat dilihat dengan klik
( Edit
Result Variables). 5.
Pembuatan grafik frekuensi
Untuk membuat grafik frekuensi, klik Execute.
(Insert New Graphic ) > pilih Virtual Instrument Panel >
Klik kanan pada area grafik > klik Create VI > Subplot .
Klik kanan pada area grafik kemudian isikan dengan variabel yang akan ditampilkan.
6.
Klik
Menjalankan simulasi
(Calulate Initial Condition) atau pilih Calculation > Stability > Initial Conditions,
kemudian klik Execute.
Klik icon (Start Simulation) atau pilih Calculation > Stability > Start Simulation dan tentukan lama waktu simulasi, kemudian klik Execute.
7.
Menampilkan grafik hasil simulasi (frekuensi)
Grafik frekuensi dapat dilihat di Sheet Grafik.
Untuk mengatur zoom dan autoscale di grafik
4.2.2
Pembuatan s etting under frequency relay (UFR) untuk skema pengamanan sistem. Langkah – langkah yang harus dilakukan untuk membuat setting under frequency relay (UFR) untuk skema pengamanan sistem adalah sebagai berikut:
1.
Aktivasi Project
2.
Copy data relay under frequency dari library database digsilent dan paste ke dalam library project yang sudah diaktifkan.
3.
Pilih beban (load) yang akan dipasangi relay underfrequency . Klik kanan di PMT beban > New Devices > Relay Model .
Pada windows Relay Model: pada Relay Type pilih Select Project Type
Pilih jenis relay yang sudah di- copy ke library , yaitu Frq-U
4.
Setting relay underfrequency .
Pada Slot Definition, isikan setting relay sesuai gambar berikut.
Setelah relay underfrequency terpasang, lakukan simulasi sesuai skenario di subbab 4.2.1, yaitu trip pembangkit G3. Grafik frekuensi yang dihasilkan setelah terpasang UFR di Load B adalah sebagai berikut.
4.3
Studi Kasus Stabilitas Frekuensi Berikut adalah sistem 9 busbar (data sesuai dengan materi praktikum) yang akan dievaluasi stabilitas frekuensinya.
1. Set gangguan trip pembangkit G2. 2. Buat kurva frekuensi di Bus 8 untuk skenario di atas. 3. Set relay underfrequency di Load A. 4. Buat kurva frekuensi di Bus 8 setelah relay underfrequency terpasang.
