Zona Teknik ISSN 1978 1978 – – 1741
143- -150 Volume 3 No. 2: 143 -- 150
PENGARUH BEBAN TAK SEIMBANG TERHADAP PEMBANGKITAN DAN PERMINTAAN DAYA DALAM SISTEM TENAGA LISTRIK Jumadril
Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh beban tak seimbang terhadap pembangkitan dan permintaan daya dalam sistem tenaga listrik. Sering kali pada konsumen tidak dapat diharapkan memberi beban yang sama. Pemintaan beban sewaktu-waktu harus ditanggapi oleh pihak penyedia daya (pembangkit). Penambahan beban tersebut menyebabkan besarnya beban pada masing-masing fasa tidak sama . Beban yang tidak seimbang akan mengakibatkan mengalirnya arus pada penghantar netral sehingga akan berpengaruh pada konsumen yaitu yaitu akan terjadi terjadi penurunan tegangan yang diterima oleh konsumen. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah membuat suatu simulasi aliran daya tiga fasa yang dikerjakan dengan menggunakan software aplikasi EDSA (Electrical Distribution and Transmission System Analysis) yaitu dengan menjalankan object oriented load flow dan object oriented unbalanced 3 phase load flow. Studi kasus dalam penelitian ini dilakukan pada sistem IEEE 14 bus dengan batasan bahwa saluran yang digunakan adalah saluran simetris.
Kata-kata kunci: Beban Takseimbang, Takseimbang, Pembangki Pembangkitan, tan, Daya, EDSA EDSA
1. Pendahuluan Proses penyaluran tenaga listrik terdiri dari tiga komponen utama yaitu pembangkit, penghantar penghantar dan beban. beban. Besarnya Besarnya beban yang harus dilayani oleh pembangkit pembangkit tidaklah konstan, melainkan selalu berubah sepanjang waktu tergantung kepada keperluan para pemakai tenaga listrik (Marsudi, 1990). Pemintaan beban yang terjadi sewaktu-waktu harus ditanggapi oleh pusat-pusat pembangkit listrik untuk memproduksi tenaga listrik sesuai dengan kebutuhan. Penambahan beban tersebut menyebabkan besarnya beban pada masing-masing fasa tidak sama besar (tidak seimbang). Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh dari beban tak seimbang
Staff Pengajar Teknik Elektro, Universitas Batam
terhadap permintaan dan pembangkitan daya aktif dan daya daya reaktif. Beban yang tidak seimbang akan berpengaruh pada konsumen yaitu akan akan terjadi terjadi penurunan penurunan tegangan yang yang diterima oleh konsumen. Studi kasus penelitian ini dilakukan pada sistem IEEE 14 bus dengan batasan bahwa saluran yang digunakan adalah saluran simetris. Simulasi dikerjakan dengan menggunakan aplikasi EDSA software (Electrical Distribution and Transmission System Analysis) yaitu dengan menjalankan object oriented load flow dan object oriented unbalanced 3 phase load flow. Metode penyelesaian yang digunakan dalam penelitian ini adalah membuat suatu simulasi aliran daya tiga fasa untuk kondisi kondisi beban yang tidak seimbang.
191
Zona Teknik ISSN 1978 1978 – – 1741
Volume 3 No. 2: 143- 143 -150 -150
Model sistem tiga fasa tak seimbang
2. Metode Penelitian Adapun langkah-langkah dalam melakukan penelitian ini dapat dibuat dalam bentuk diagram alir seperti terlihat pada Gambar 3 berikut ini:
Gambar 1 menunjukkan jaringan tiga fasa antara bus i dan j. Parameter jaringan dapat ditentukan berdasarkan metode yang dikembangkan oleh Carson (1926). Sebuah matriks 4x4 yang memasukkan induktansi sendiri dan induktansi bersama, dapat dituliskan sebagai berikut (Teng , 2000):
Z aa Z [ abcn] = ba Z Z ca Z na
Keseimbangan Beban Beban dari fasa banyak seimbang adalah beban dimana arus yang mengalir pada beban-beban simetris dan beban tersebut dihubungkan pada tegangan yang simetris pula. Dalam menganalisa beban- seperti ini biasanya diasumsikan disuplai oleh tegangan simetris pula. Dengan demikian analisa dapat dilakukan secara per fasa saja. Jadi dalam hal ini beban selalu diasumsikan seimbang pada pada setiap fasa, sedangkan pada kenyataannya beban-beban tersebut tidak seimbang. Dalam hal ini penyelesaiannya menggunakan komponen simetris. Pada fasa tunggal dengan sistem tiga kawat beban seimbang bila arus yang mengalir pada kawat netralnya nol. Keadaan seperti ini hanya berlaku bila impendansi-impendansi yang menghubungkan fasa ke netralnya sama besar (Hasan Basri:1993)
Z cb Z cc Z cn Z nb Z nc Z nn Z bb Z bc Z bn
Gambar 1 Jaringan tiga fasa
Gambar 3 Diagram al ir penelitian
3. Tinjauan Pustaka
Z ab Z ac Z an
Untuk sistem yang diketanahkan, VN dan Vn seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1, diasumsikan sama dengan nol. Persamaan digunakan tanpa memasukan pengaruh netral atau pengahantar diketanahkan dan digunakan untuk menghitung aliran daya tak seimbang.
[ Z
abc
Z aa Z ab Z ac ] = Z ba Z bb Z bc Z ca Z cb Z cc
Hubungan antara tegangan bus dan arus cabang dalam Gambar 1 dapat dituliskan:
V a V A Z aa Z ab Z ac I Aa V = V − Z Z Z I bb bc Bb b B ba V c V C Z ca Z cb Z cc I Cc Sehingga persamaan tegangan jatuh pada masing-masing penghantar fasa a, b dan c dari Gambar 1 adalah:
V a
=
V ia − V ja
=
I a Z aa + I b Z bb + I c Z cc
192
Zona Teknik ISSN 1978 1978 – – 1741
V b
=
V ib − V jb
=
Volume 3 No. 2: 143- 143 -150 -150
I a Z ab + I b Z bb + I c Z bc
V c = V ic − V jc = I a Z ca + I b Z bc + I c Z cc Berdasarkan teori komponen simetris maka impendansi urutan dari penghantar saluran transmisi dapat ditentukan per fasanya. abc
V
=
abc
abc
I Z abc
abc
Z
V
=
Persamaan aliran daya tiga fasa tak seimbang Untuk menentukan arus yang mengalir antara bus i dan bus j pada masing-masing fasa pada Gambar 1, berdasarkan persamaan (1) dapat ditulis dalam bentuk:
I abc
Iaij Ibij Icij
Sehingga impedansi perfasa 012
abc
Z
AV
=
012
AI
Y aa Y ab Y ac V Aa = Y ba Y bb Y bc V Bb Y ca Y cb Y cc V Cc
012
V
=
012
I
1
−
abc
A Z A
Sehingga:
Z 012
=
abc
A 1 Z A −
Persamaan dapat ditulis:
1 1 1 Z aa Z ab Z ac1 1 1 1 Z = 1 a a2 Z ba Z bb Z bc 1 a2 a 3 1 a2 a Z ca Z cb Z cc1 a a2 012
Untuk merubah kembali impedansi urutan menjadi impedansi per fasa 012
V
=
012
012
I Z
Subtitusikan persamaan V a dan I 1
012
=
1 abc
−
A I 012
012
=
abc
A 1V −
sehingga
1
A V abc = Z A I abc Z abc = AZ 012 A 1 −
−
Gambar 2 Model bus sistem tenaga tiga fasa
Misalkan saluran transmisi digambarkan dalam bentuk sistem tiga fasa seperti terlihat pada Gambar 2, persamaan arus tiga fasa pada bus i dapat ditulis:
−
Persamanaan di atas dapat di tulis:
1 1 1 Z 00 Z 01 Z 02 1 1 1 1 abc Z = 1 a2 a Z 10 Z 11 Z 12 1 a a2 3 1 a a2 Z 20 Z 21 Z 22 1 a2 a
I i p
=
∑
n
V i p
q =a,b ,c
n
∑
,
y pij q
−
∑ y
p.q ij
V jq
j =1
j =o
dengan p=a,b,c
Persamaan daya:
S i
p
=
p
V i I i
p ∗
193
Zona Teknik ISSN 1978 1978 – – 1741
Volume 3 No. 2: 143- 143 -150 -150
karena
S i
p
=
Pi
p
+
jQi
p
maka
p
Pi
p
+
jQi
p
=
p
V i I i
Pi
p ∗
I i
=
Pi
p
−
jQi
p
(V i )
p
jQi
p i
(V )
Atau p
−
∗
n
=
V i p
∑ ∑
n
,
yij p q −
q = a , b, c
j = o
∑ y
p .q ij
j =1
, j≠i dengan p = a, b, c Persamaan (18) dapat diuraikan secara perfasa untuk masing-masing fasa a, b dan c.
p
∗
Dengan mensubtitusikan persamaan (13) ke persamaan (17) maka diperoleh
4. Hasil Penelitian dan Pembahasan Simulasi Beban Tak Seimbang Hasil simulasi unbalanced 3 phase load flow analysis menunjukkan bahwa perhitungan aliran daya tak seimbang mencapai konvergensi pada iterasi ke-5. Besaran-besaran yang dihasilkan yaitu berupa tegangan, arus dan rugi-rugi daya.
pada fasa a dan b mengalami kenaikan dari kondisi seimbang yaitu masing-masing sebesar 0,029% dan 0,231% sedangkan fasa c mengalami penurunan yaitu sebesar 0,262%. Kenaikan dan penurunan tegangan tak seimbang dari referensi kondisi seimbang dapat dilihat dalam tabel 1 dan Gambar 4.
Tegangan mempunyai persentase ketidakseimbangan terbesar pada bus 9 yaitu Tabel 1 Kenaikan dan penurunan tegangan tak seimbang
No Bus 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Fasa a (%) 0.000 0.000 0.000 -0.002 -0.006 0.000 0.020 0.000 0.029 0.019 0.013 0.013 0.020 0.064
Fasa b (%) 0.000 0.000 0.000 0.004 0.013 0.000 0.140 0.000 0.231 0.191 0.100 -0.014 0.001 0.151
Fasa c (%) 0.000 0.000 0.000 -0.001 -0.006 0.000 -0.157 -0.001 -0.262 -0.211 -0.113 0.002 -0.026 -0.217
KETERANGAN Nilai (-), tegangan mengalami penurunan dari kondisi seimbang Nilai = 0, tegangan sama dengan kondisi seimbang Nilai (+), tegangan mengalami kenaikan dari kondisi seimbang
194
V jq
Zona Teknik ISSN 1978 1978 – – 1741
Volume 3 No. 2: 143- 143 -150 -150
0.300 0.200
) % ( 0.100 n a g 0.000 n a g e T -0.100
Fasa a Fasa b 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Fasa c
-0.200 -0.300
14
12 12
) A ( 12
Nomor Bus
Gambar 4 Kondisi kenaikan dan penurunan tegangan pada tiap bus masing- masing fasa
9
L 10 A R T 8 E N 6 S 4 U R 2 A
9 6
3
3
9 6
6
6
3
6
3 0
0
0
6 3
0
0 1-5 2-1 2-4 2-5 3-2 3-4 4-5 4-7 4-9 5-6 6- 6- 6- 7-8 9-7 9- 9- 10- 12- 1411 12 13
10 14 11 13 13
NOMOR BUS
Persentase ketidakseimbangan arus terbesar yaitu pada saluran penghubung antara bus 14 -13 sebesar 29,63%, 32,10%, dan 38,27% untuk masing-masing fasa a, b, dan c (gambar 5). Akibat ketidakseimbangan antar fasa menyebabkan mengalirnya arus netral seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6. Arus netral maksimun terjadi pada saluran penghubung antara bus 7 -8 dan 9-7 yaitu sebesar 12 A.
Arus Netral
Gambar 6 Kondisi arus netral pada tiap bus
) 50.00 % ( A40.00 Y A D30.00 I G U20.00 R I 10.00 G U R 0.00
45.00 40.00 35.00
) %30.00 ( S 25.00 U 20.00 R A 15.00
5 1 4 5 2 4 5 7 9 6 1 2 3 8 7 0 4 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 3 3 4 4 4 5 - 7 9 6 6 6 9 9 0 1
10.00 5.00
NOMOR BUS
0.00 5 1 4 5 2 4 5 7 9 6 1 2 3 8 7 0 4 1 3 - 1 1 1 - 1 1 1 1 1 2 2 2 3 3 4 4 4 5 - 7 9 6 6 6 9 9 0 2 1 1
3 1 4 1
Fasa a
Fasa b
Fasa c
NOMOR BUS F as a a
F as a b
F as a c
Gambar 5 Kondisi arus masing-masing fasa antar bus untuk beban tak seimbang
Rugi-rugi daya aktif dan rugi-rugi daya reaktif yang dihasilkan masing-masing fasa yaitu a, b dan c untuk beban tak seimbang ditunjukkan pada saluran penghubung antara bus 9-10 yaitu sebesar 44,64%, 33,76% dan 21,60% untuk masing-masing fasa a, b dan c.
Gambar 7 Kondisi rugi-rugi daya aktif dan reaktif pada tiap bus
Besarnya pembangkitan dan permintaan daya aktif dan daya reaktif masing-masing fasa untuk kondisi beban tak seimbang dapat dilihat Tabel 2 dan 3.
195
3 1 2 1
3 1 4 1
Zona Teknik ISSN 1978 1978 – – 1741
Volume 3 No. 2: 143- 143 -150 -150
Tabel 2 Pembangkitan dan permintaan daya aktif untuk beban tak seimbang
Jenis
P(a) (W)
P(b) (W)
P(c) (W)
Q total (VAR)
Q(a) (%)
Q(b) (%)
Q(c) (%)
Swing Pembangkit Beban Losses
77692175 12305071 85012000 98526
78323970 11990151 86417000 4897121
77925516 15704803 88571000 5059319
133941661 40000025 259000000 14941686
33,21 30,76 32,82 33,36
33,48 29,98 32,98 32,77
33,31 39,26 34,20 33,86
Tabel 3 Pembangkitan dan permintaan daya reaktif untuk beban tak seimbang
Jenis Swing Pembangkit Beban Losses
P(a) (W) -1386516 54406242 26361000 1180080
P(b) (W)
P(c) (W)
Q total (VAR)
Q(a) (%)
Q(b) (%)
Q(c) (%)
-1046209 56206253 26758000 14402044
-14501496 57207362 28181000 1422866
-42412867 168819857 81300000 43104990
32,69 32,61 32,42 32,90
33,12 33,09 32,91 33,41
34,19 34,29 34,66 33,69
5.Kesimpulan 1.
2.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa akibat besar variasi beban yang berbeda antar fasa menyebabkan pembangkitan tak seimbang antar fasa. Total Pembangkitan daya aktif yaitu sebesar 273,942 MW dengan persentase masing-masing fasa yaitu sebesar 32,85%, 32,97% dan 34,18%. Sedangkan total pembangkitan daya reaktif yaitu sebesar 124.405 MVAR dengan persentase masing-masing fasa yaitu 32,59%, 33,09% dan 34,33% untuk masing-masing fasa a, b dan c. Pemakaian beban yang tidak seimbang dapat meyebabkan arus saluran antar fasa tidak seimbang. Ketidakseimbangan beban antara fasa menyebabkan adanya arus netral yaitu berkisar antara 3-12 A. Arus netral maksimun yaitu sebesar 12 A terjadi pada saluran penghubung antara bus 7-8 dan bus 9-7.
Daftar Pustaka sa Listrik”. rta Gonen, T., 1988, “ Modern Power System Analysis”, John Wiley and Sons, USA. Gross, C. A., 1979, “Power System Analysis” John Wiley and Sons, USA. Marsudi, D., 1990, “Operasi Sistem Tenaga Listrik”, Balai Penerbit&Humas ISTN, Jakarta. Nazaruddin. 2006. “ Analisis Aliran Daya Tak Seimbang Sistem Tenaga Listrik Berdasarkan Komponen Simetris”. Thesis-UGM. Yogyakarta Pai, M.A., 1984, “Computer Techniques in Power System analysis”, Tata McGraw-Hill, New Delhi. Powell, L., 2005, “Power System Load Flow Analysis”, McGraw-Hill, USA. Saadat. H., 1999, “Power System Analysis”, McGraw-Hill, New York. Stevenson, Jr, W.D.,1993. “ Analisa Sistem Tenaga Listrik”. Erlangga. Jakarta.
196
Zona Teknik ISSN 1978 1978 – – 1741
Volume 3 No. 2: 143- 143 -150 -150
197
Zona Teknik ISSN 1978 1978 – – 1741
Volume 3 No. 2: 143- 143 -150 -150
198
