Simulasi Kontrol Frekuensi

Simulasi Kontrol Frekuensi Otomatis

LAPORAN UJIAN AKHIR MATA KULIAH APLIKASI KOMPUTER DALAM SISTEM TENAGA LISTRIK SIMULASI KONTROL FREKUENSI OTOMATIS PADA GENERATOR SINKRON DENGAN MENGGUNAKAN SIMULINK 

Disusun oleh: 1. Endro Setyo Priyono

(29455)

2. Yasser Yusran

(32822)

3. Dwi Wahyu Purnomo

(

)

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK  UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2009

BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG

Pembuatan tugas akhir ini awalnya berlatar belakang keinginan memberikan solusi bagi  permasalahan yang kita hadapi bersama, khususnya dalam sistem pembangkitan energi listrik dari sistem pembangkitannya sampai sistem distribusi dari energi lisrik itu sendiri, masalah itu adalah ketidakstabilan frekuensi sistem yang sampai ke p elanggan. Akibat yang sangat terlihat kerugiannya adalah pada beban yang mengkonsumsi listrik dalam jumlah yang banyak, seperti  pada beban industri. Pada industri sangat dibutuhkan frekuensi yang stabil untuk mendapatkan hasil produksi sesuai rencana dan mendapatkan keuntungan. Ketika frekuensi sistem (PLN sebagai penyedia energi listrik) mengalami perubahan magnitude secara berkala dan perubahan  besarnya juga sangat signifikan dan di luar toleransi perubahan,maka industri tersebut bisa saja mengalami kerugian karena pembuatan produknya mengalami kegagalan dan tidak sesuai standart. Hal ini disebabkan oleh karena kestabilan frekuensi akan berdampak pada kecepatan  putaran motor yang digunakan untuk proses produksi pada bidang industri,karena seperti yang kita ketahui untuk produksi dengan menggunakan motor maka dibutuhkan motor dengan kecepatan yang konstan untuk dapat menghaslkan produk yang baik dan sesuai targetan. Selain itu kenapa kita lebih menekankan perhatian pada beban industri adalah karena beban industri merupakan pemasukkan financial yang jauh lebih besar dari beban yang lainnya, seperti beban sosial,rumah tangga, dll. Oleh karena itu secara otomatis dengan harga yang lebih besar dibanding beban yang lainnya maka sistem (PLN) harus memberikan kepuasan yang lebih baik  bagi beban ini. Untuk itu semua kita membuat sistem pengendali frekuensi ini. Selain latarbelakang diatas pembuatan tugas akhir ini juga untuk menjawab tantangan untuk membuat sistem pengaturan frekuensi secara otomatis yang nantinya dapa t menggantikan peran dispatcher(sarjana s1 yang berada di sistem pembangkitan untuk menyetabilkan frekuensi sistem).

1.2 TUJUAN

Membuat sebuah simulasi sistem otomatis pengendali frekuensi pada sistem pemban gkitan tenaga listrik.Output yang diinginkan adalah sebuah sistem yang memiliki frekuensi yang stabil. Simulasi yang kita buat ini adalah simulasi yang memanfaatkan simulink pada program matlab. 1.3 METODE

Pada pengamatan ini dilakukan dengan metode pemodelan sistem teanga listrik dengan simulasi  pengendalian frekuensi secara otomatis sistem tenaga listrik.Pengendalian listrik.Pengendalian frekuensi ini dilakukan sebagai pengaruh pembebanan dan hubung singkat pada sistem tenaga listrik.Pengamatan akibat pembebanan dan hubung singkat tersebut dilakukan di bagian sistem transmisi dan distribusi dari sistem pembangkitan. Pengendalian yang dilakukan adalah berupa simulasi menggunakan fasilitas Simulink pada paket  program MATLAB.Simulasi ini dibuat sedemikian rupa sehingga harapannya dapat mewakili sistem tenaga listrik yang sebenarnya. Pada simulasi yang dilakukan dapat dilihat pengaruh  pembebanan dan hubungsingkat pada sistem yang ada,sehingga setelah itu kontrol otomatis frekuensi akan 1.4 SISTEMATIKA PENULISAN

Pada pengamatan ini dilakukan dengan s usunanpenulisanan sebagai berikut: 4.1

BAB I PENDAHULUAN

Pada bab ini dibahas mengenai latar belakang pengamatan,tujuan dan metode pengamatana yang dilakukan. 4.2

BAB II DASAR TEORI

Menjelaskan konsep dasar sistem tenaga listrik dan membahas komponen-komponen yang membangun sitem tersebut. Selain itu juga dibahas mengenai program yang digunakan dalam  pembuatan simulasi pengendalian frekuensi sistem tenaga listrik tersebut. tersebut.

4.3

BAB III ANALISIS PEMODELAN SISTEM TENAGA LISTRIK

Pada bab ini di bahas mengenai penjelasan terhadapa pengujian-pengujian yang dilakukan pada simulasi pengendalian frekuensi otomatis.Pengujian dilakukan pada beberapa keadaan. 4.4

BAB IV KESIMPULAN

Pada bagian ini disampaikan mengenai kesimpulan akhir darikeseluruha pengamatan dan  pengujian yang telah dilakukan. BAB II DASAR TEORI 2.1. Generator Sinkron

Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron. Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasa tergantung dari kebutuhan. 2.1.1. Konstruksi Generator Sinkron

Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan generator-generator lainnya. Konstruksi:

1. Stator Bagian dari mesin yang diam dan berbentuk silindris. Stator berfungsi sebagai penghasil tegangan dan arus.  Konstruksi stator: 

Kerangka atau gandar besi tuang untuk menyangga inti jangkar 



Inti jangkar dari besi lunak / baja silikon.



Alur/parit/slot dan gigi tempat meletakkan kumparan, bentuk alur ada yang terbuka, setengah tertutup dsn tertutup



Belitan jangkar terbuat dari tembaga yang diletakkan pada alur 

1. Rotor Ada dua bentuk kutub magnet rotor: v Jenis kutub menonjol (salient pool) : untuk generator dengan kecepatan rendah dan medium. 1. Terdiri dari inti kutub, badan kutub dan sepatu kutub 2. Belitan medan dililitkan pada badan kutub 3. Pada sepatu kutub dipasang belitan peredam (damper winding) 4. Belitan kutub dari tembaga, badan kutub dan sepatu kutub dari besi lunak. v Jenis kutub silinder : untuk generator dengan kecepatan tinggi 1. Terdiri dari alur-alur yang dipasang kumparan medan 2. Ada gigi-gigi 3. Alur dan gigi tersebut terbagi atas pasangan-pasangan kutub 1. Celah Udara

Gambar 2.1. Konstruksi generator sinkron Pada generator sinkron, arus DC dialirkan pada lilitan rotor untuk mengahasilkan medan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover yang menghasilkan medan magnet berputar

 pada mesin. Medan magnet putar ini menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator generator. Rotor pada generator sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan dan non salient (rotor silinder). Pada kutub salient, kutub magnet menon jol keluar dari permukaan rotor sedangkan  pada kutub non salient, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor. Rotor silinder umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub, sedangkan rotor kutub sepatu digunakan untuk rotor dengan empat atau lebih kutub. Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar prime mover, frekuensi dan rating daya generator. Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50 Hz dan rating daya sekitar 10MVA menggunakan rotor silinder. Sementara untuk daya dibawah 10 MVA dan kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu. Arus DC disuplai ke rangkaian medan rotor dengan dua cara: 1. Menyuplai daya DC ke rangkaian dari sumber DC eksternal dengan sarana slip ring dan sikat. 2. Menyuplai daya DC dari sumber DC khusus yang ditempelkan langsung pada batang rotor generator sinkron. Ada dua struktur kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan medan magnet, biasa disebut sistem eksitasi) dan sebuah kumparan (biasa disebut jangkar) tempat dibangkitkann ya GGL arus  bolak-balik. Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL berup a stator yang diam dan struktur medan magnit berputar sebagai rotor. Kumparan DC pada struktur medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar melaui slipring dan sikat arang, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang yaitu sistem “brushless 2.1.2. Prinsip Kerja Generator Sinkron

excitation” .

Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan magnethomogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut. Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet tetap. Pada generator sinkron, digunakan tipe generator dengan kutub internal (internal pole generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh kutub rotor dan tegangan AC dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada kecepatan konstan. T egangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk beda fasa dengan sudut 120°. Dari penjelasan di atas bisa disimpulkan ada 3 hal pokok dalam prinsip kerja generator sinkron: 1. Kumparan rotor diberi penguat arus DC, akan timbul kutub utara & selatan. Flux magnet akan mengalir dari kutub utara ke kutub selatan melalui kumparan jangkar pada bagian stator. 2. Kumparan medan pada rotor diputar oleh penggerak awal sehingga flux yang lewat kumparan jangkar juga akan berubah. 3. Karena dilewati flux yang berubah maka pada kumparan jangkar akan dibangkitkan tegangan induksi. 2.1.3.

Kecepatan Putar pada Generator Sinkron

Frekuensi listrik yang dihasilkan generator dirumuskan sebagai berikut : f=(p x N)/120 dengan:

p = jumlah kutub

 N = kecepatan rotor mekanis (rpm) Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet de ngan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. 2.1.4. Pembebanan pada Generator Sinkron

1. Saat Kondisi Tanpa Beban Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (IF), maka tegangan GGL (Eo) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut. Ea = c.n.fluks yang mana:

c = konstanta mesin; n = putaran sinkron;

fluks = fluks yang dihasilkan oleh IF Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya tidak terdapat  pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (IF). Apabila If diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga harga Eo seperti pada kurva.

Gambar 2.2. Rangkaian generator sinkron tanpa beban

Gambar 2.3. Kurva generator sinkron tanpa beban 1. Saat Kondisi Hubung Singkat Kondisi yang kedua yaitu ketika generator sinkron hubung singkat. Krakteristik saat hubung singkat bisa diketahui dari pengujian. Untuk mengamati perubahan arus jangkar Ia (yang mana juga sama dengan arus saluran) diukur dengan mengubah arus eksitasi medan. Dari pengujian hubung singkat akan menghasilkan hubungan antara arus jangkar (Ia ) sebagai fungsi arus medan (IF), dan ini merupakan garis lurus.

Gambar 2.4. Kurva generator sinkron hubung singkat 1. Saat Generator Berbeban

Bila generator diberi beban yang berubah-ubah maka besarnya tegangan terminal V akan  berubah-ubah pula, hal ini disebabkan adanya kerugian tegangan pad a: • Resistansi jangkar Ra • Reaktansi bocor jangkar Xl • Reaksi Jangkar Xa 1. Resistansi Jangkar Resistansi jangkar/fasa Ra menyebabkan terjadinya kerugian tegang/fasa (tegangan jatuh/fasa) dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar. 1. Reaktansi Bocor Jangkar Saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian fluks yang terjadi tidak mengimbas  pada jalur yang telah ditentukan, hal seperti ini disebut Fluks Bocor. 1. Reaksi Jangkar Adanya arus yang mengalir pada kumparan jangkar saat generator dibebani akan menimbulkan fluksi jangkar (ΦA ) yang berintegrasi dengan fluksi yang dihasilkan pada kumparan medan rotor(ΦF), sehingga akan dihasilkan suatu fluksi resultan sebesar: φR = φF + φA Interaksi antara kedua fluksi ini disebut sebagai reaksi jangkar, seperti diperlihatkan pada Gambar 2.5. yang mengilustrasikan kondisi reaksi jangkar untuk jenis beban yang berbeda-beda.

Gambar 2.5. Kondisi reaksi jangkar untuk beban yang berbeda

Gambar a, b, c dan d. Kondisi Reaksi Jangkar. Gambar a, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat generator dibebani tahanan (resistif) sehingga arus jangkar Ia sefasa dengan GGL Eb dan φA akan tegak lurus terhadap φF. Gambar b, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat generator dibebani kapasitif, sehingga arus jangkar Ia mendahului ggl Eb sebesar θ dan φA terbelakang terhadap φF dengan sudut (90 θ). Gambar c, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat dibebani kapasitif murni yang mengakibatkan arus jangkar Ia mendahului GGL Eb sebesar 90° dan ΦA akan memperkuat φF yang berpengaruh terhadap pemagnetan. Gambar d, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat arus diberi beban induktif murni sehingga mengakibatkan arus jangkar Ia terbelakang dari GGL Eb sebesar 90° dan φA akan memperlemah φF yang berpengaruh terhadap pemagnetan. Jumlah dari reaktansi bocor XL dan reaktansi jan gkar Xa biasa disebut reaktansi Sinkron (Xs). Vektor diagram untuk beban yang bersifat Induktif, resistif murni, dan kapasitif.

a.beban induktif

 b.beban resistif

c.beban konduktif Gambar 2.6.(a,b,c) Diagram fasor dengan beban yang berbeda Berdasarkan gambar diatas, maka bisa ditentukan besarnya tegangan jatuh yang terjadi, yaitu : Total Tegangan Jatuh pada Beban: Vdrop = I.Ra + j (I.Xa + I.XL) = I {Ra + j (Xs + XL)} = I {Ra + j (Xs)} = I.Zs 2.1.5.

Pengaturan Tegangan pada Generator Sinkron

Pengaturan tegangan adalah perubahan tegangan terminal alternator antara keadaan beban nol (VNL) dengan beban penuh (VFL). Keadaan ini memberikan gambaran batasan drop tegangan yang terjadi pada generator, yang dinyatakan sebagai berikut. Faktor-faktor yang mempengaruhi pengaturan tegangan adalah : 

Tahanan jangkar



Reaktansi bocor lilitan jangkar



Reaksi jangkar

2.1.6.

Hubungan Daya Aktif dan Frekuensi

Menurut prinsip dasar dalam dinamika rotor, ada hubungan antara kopel mekanis penggerak generator dengan perputaran generator, dapat dituliskan dalam bentuk persamaan: (TG – TB) = M x (dw/dt) ………..(1) dimana: TG = torsi atau kopel penggerak generator TB = torsi atau kopel beban yang membebani generator M = momen inersia dari generator beserta mesin penggeraknya w= kecepatan sudut perputaran generator Karena frekuensi yang dihasilkan generator merupakan sama dengan kecepatan rotornya, sehingga dapat dituliskan dengan: f = (w/2Π) ……….(2) Hal ini berarti bahwa pengaturan frekuensi sistem merupakan pengaturan dari kopel penggerak generator atau pengaturan daya aktif dari generator. Untuk mesin penggerak generator,  pengaturan frekuensi sistem di lakukan dengan pengaturan pemberian bahan bakar pada unit thermis dan pengaturan pemberian air pada unit hydro. Sedangkan untuk sistem beban, frekuensi akan turun apabila daya aktif yang dibangkitkan tidak mencukupi kebutuhan beban dan sebaliknya frekuensi akan naik apabila ada kelebihan daya aktif dalam sistem. Secara mekanis, dengan melihat persamaan (1) dan (2) dinamika frekuensi sistem dalam kaitannya dengan pembangkitan daya aktif dapat dituliskan sebagai berikut: a. Jika TG – TB = ΔT < 0, maka dw/dt < 0, sehingga frekuensi akan turun.  b. Jika TG – TB = ΔT > 0, maka dw/dt > 0, sehingga frekuensi akan naik.

 Namun secara tidak langsung penyediaan daya reaktif dapat pula mempengaruhi frekuensi sistem, karena penyediaan daya reaktif mempunyai pengaruh besar terhadap kenaikan tegangan, yang selanjutnya dapat menyebabkan kenaikan beban daya aktif. Namun pengaturan frekuensi sistem lebih dominan kaitannya dengan penyediaan daya aktif. 2.2.

Transformator

Transformator adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang lain, melalui suatu gandengan magnet dan berdasarkan prinsip induksi-elektromagnet. Transformator digunakan secara luas,  baik dalam bidang tenaga listrik maupun elektronika. Penggunaan transformator dalam sistem tenaga memungkinkan terpilihnya tegangan yang sesuai , dan ekonomis untuk tiap-tiap keperluan misalnya kebutuhan akan tegangan tinggi dalam pengiriman daya listrik jarak jauh. 2.1.1.

Komponen Transformator

Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan  bolak-balik (AC). Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan kedua (skunder) yang bertindak sebagai output, dan inti besi yang berfungsi untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.

Gambar 2.7. Komponen trafo 2.1.2.

Prinsip Kerja Transformator

Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika Kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, perubahan arus listrik pada kumparan primer

menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi dan dihantarkan inti besi ke kumparan sekunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal-balik (mutual inductance).

Gambar 2.8 Skema kerja transformator Pada skema transformator di samping, ketika arus listrik dari sumber tegangan yang mengalir  pada kumparan primer berbalik arah (berubah polaritasnya) medan magnet yang dihasilkan akan  berubah arah sehingga arus listrik yang dihasilkan pada kumparan sekunder akan berubah  polaritasnya. Pada skema transformator di samping, ketika arus listrik dari sumber tegangan yang mengalir pada kumparan primer berbalik arah (berubah polaritasnya) medan magnet yang dihasilkan akan berubah arah sehingga arus listrik yang dihasilkan pada kumparan sekunder akan  berubah polaritasnya. 2.1.3.

Persamaan dan Jenis dalam Transformator

Vp = tegangan primer (volt)

Np

= jumlah lilitan primer

Vs = tegangan sekunder (volt)

Ns

= jumlah lilitan sekunder

Berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan skunder transformator ada dua jenis yaitu:

1. Transformator step up yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik rendah menjadi tinggi, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan sekunder lebih  banyak daripada jumlah lilitan primer (Ns > Np). 2. Transformator step down yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik tinggi menjadi rendah, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan primer lebih  banyak daripada jumlah lilitan sekunder (Np > Ns). Pada transformator (trafo) besarnya tegangan yang dikeluarkan oleh kumparan sekunder adalah: 1. Sebanding dengan banyaknya lilitan sekunder (Vs ~ Ns). 2. Sebanding dengan besarnya tegangan primer ( VS ~ VP). 3. Berbanding terbalik dengan banyaknya lilitan primer. Sehingga dapat dituliskan: Vs = (Ns/Np) x Vp 2..

Matlab

MATLAB (Matrix Laboratory) adalah sebuah program untuk analisis dan komputasi numerik dan merupakan suatu bahasa pemrograman matematika lanjutan yang dibentuk dengan dasar  pemikiran menggunkan sifat dan bentuk matriks. Pada awalnya, program ini merupakan interface untuk koleksi rutin-rutin numerik dari proyek LINPACK dan EISPACK, dan dikembangkan menggunkan bahasa FORTRAN namun sekarang merupakan produk komersial dari perusahaan Mathworks, Inc.yang dalam perkembangan selanjutnya dikembangkan menggunakan bahasa C++ dan assembler (utamanya untuk fungsi-fungsi dasar MATLAB). MATLAB telah berkembang menjadi sebuah environment pemrograman yang canggih yang  berisi fungsi-fungsi built-in untuk melakukan tugas pengolahan sinyal, aljabar linier, dan kalkulasi matematis lainnya. MATLAB juga berisi toolbox yang berisi fungsifungsi tambahan untuk aplikasi khusus . MATLAB bersifat extensible, dalam arti bahwa seorang pengguna dapat menulis fungsi baru untuk ditambahkan pada library ketika fungsi-fungsi built-in yang tersedia tidak dapat melakukan tugas tertentu. Kemampuan pemrograman yang dibutuhkan tidak terlalu

sulit bila Anda telah memiliki pengalaman dalam pemrograman bahasa lain seperti C, PASCAL, atau FORTRAN. MATLAB (MATrix LABoratory) yang merupakan bahasa pemrograman tingkat tinggi b erbasis  pada matriks sering digunakan untuk teknik komputasi numerik, yang digunakan untuk menyelesaikan masalah-masalah yang melibatkan operasi matematika elemen, matrik, optimasi, aproksimasi dll. Sehingga Matlab banyak digunakan pada : • Matematika dan Komputansi • Pengembangan dan Algoritma • Pemrograman modeling, simulasi, dan pembuatan prototipe • Analisa Data , eksplorasi dan visualisasi • Analisis numerik dan statistik  • Pengembangan aplikasi teknik  2.4.

Simulink

Simulink adalah ekstensi grafis ke MATLAB untuk pemode lan dan simulasi sistem. In Simulink, systems are drawn on screen as block diagrams. Dalam Simulink, sistem yang digambar di layar sebagai blok diagram. Many elements of block diagrams are available, such as transfer functions, summing junctions, etc., as well as virtual input a nd output devices such as function generators and oscilloscopes. Banyak elemen dari blok diagram yang tersedia, seperti pengalihan fungsi, summing junction, dll, serta virtual input dan output fungsi perangkat seperti generator dan oscilloscopes. Simulink is integrated with M ATLAB and data c an be easily transfered between the programs. Simulink terintegrasi dengan MATLAB dan data d apat dengan mudah ditransfer antara program. In these tutorials, we will apply Simulink to the examples from the M ATLAB tutorials to model the systems, build controllers, and simulate the systems. Dalam tutorial ini, kami akan berlaku Simulink pada contoh-contoh dari MATLAB tutorial untuk model sistem, membangun kontroller, dan simulasi sistem. Simulink is supported on Unix, Macintosh, and

Windows environments; and is included in the student version of M ATLAB for personal computers. Simulink didukung di Unix, Macintosh, dan Windows lingkungan; dan dimasukkan dalam versi mahasiswa MATLAB untuk komputer pribadi. Sejumlah MathWorks dan pihak ketiga produk hardware dan software yang tersedia untuk digunakan dengan Simulink. For example, Stateflow extends Simulink with a design environment for developing state machines and flow charts . Sebagai contoh, Stateflow meluas Simulink dengan lingkungan desain untuk mengembangkan mesin-mesin negara dan flow chart. Coupled with Real-Time Workshop , another produ ct from The MathWorks , Simulink can automatically generate C source code for real-time implementation of systems.Digabungkan dengan Real-Time Workshop, produk lain dari The MathWorks, Simulink dapat secara otomatis menghasilkan C source code untuk real-time sistem pelaksanaan. As the efficiency and flexibility of the code improves, this is becoming more widely adop ted for production systems , in addition to being a popular tool for embedded system design work because of its flexibility and capacity for quick iteration. Sebagai efisiensi dan fleksibilitas kode memperbaiki, ini menjadi lebih luas diadopsi untuk sistem produksi. Selain menjadi alat populer untuk sistem embedded pekerjaan desain karena fleksibilitas dan kapasitas untuk iterasi cepat. Real-Time Workshop Embedded Coder creates code efficient enough for use in embedded systems. RealTime Workshop Embedded Coder kode menciptakan cukup efisien untuk digunakan dalam embedded system. xPC Target together with x86-based real-time systems provides an environment to simulate and test Simulink and Stateflow models in real-time on the physical system. Target xPC bersama dengan berbasis x86 real-time sistem menyediakan lingkungan untuk mensimulasikan dan menguji model Simulink dan Stateflow secara real -time pada sistem fisik. Other add-ons support specific embedded targets, including Infineon C166 , Motorola 68HC12 , Motorola MPC 555 , TI C2000 , and TI C6000 . Pengaya lain mendukung target tertanam spesifik, termasuk Infineon C166, Motorola 68HC12, Motorola MPC 555, TI C2000, dan TI C6000.

With Simulink HDL Coder , also from The MathWorks , Simulink and Stateflow can automatically generate synthesizable VHDL and Verilog . Dengan HDL Simulink Coder, juga dari The MathWorks, Simulink dan Stateflow dapat secara o tomatis menghasilkan synthesizable VHDL dan Verilog. The systematic test tool TPT cannot only be used for the formal test process to stimulate Simulink models but also during the development phase where the developer generates inputs to test the system. Alat tes yang sistematis TPT bukan han ya dapat digunakan untuk proses  pengujian formal untuk merangsang Simulink model tetapi juga selama fase pembangunan di mana pengembang menghasilkan masukan untuk menguji sistem. By the substitution of the Constant and Signal generator blocks of Simulink the stimulation becomes reproducable. Dengan substitusi dari konstan dan Signal generator blok Simulink rangsangan menjadi reproducable.

Gambar 2.9. Simulink dalam Matlab BAB III ANALSIS PEMODELAN SISTEM TENAGA LISTRIK  3.1. GAMBARAN SISTEM TENAGA LISTRIK 

Sistem kontrol frekuensi adalah sebuah sistem yang digunakan untuk mengatur frekuensi pada tegangan sistem tenaga listrik dimana pusat pengaturannya berada pada bagian pembangkitan tenaga listrik. Kerja dari bagian kontrol frekuensi ini adalah menyesuaikan frekuensi tegangan listrik yang dihasilkan pembangkit dengan cara mengontrol putaran rotor pada generator dimana

 putaran generator harus tetap pada level tertentu (level) agar tegangan yang keluar pada terminal generator mempunyai frekuensi tertentu. Putaran rotor generator ini berubah tergantung pada pembebanan yang dipasang pada sistem tersebut dimana jika ada penambahan beban maka putaran rotor generator akan melambat karena  putaran rotor menjadi lebih berat hal ini menyebabkan turunnya tegangan sistem dan juga menurunnya frekuensi tegangan tersebut. Begitu juga sebaliknya, jika terjadi pelepasan beban secara tiba-tiba maka akan menyebabkan putaran rotor lebih ringan, hal ini membuat rotor  berputar lebih cepat sehingga tegangan sistem manjadi lebih tinggi dan begitu juga dengan frekuensi tegangan. Kenaikan tegangan dan frekuensi akan menimbulkan dampak negatif pada peralatan-peralatan listrik terutama peralatan listrik yang kinerjanya terpengaruh langsung dengan tegangan dan frekuensi sistem seperti beban-beban motor listrik dimana peralatan itu biasanya digunakan pada industri-industri besar maupun kecil. Naiknya tegangan akan mempengaruhi ketahan isolasi  peralatan sementara kenaikan frekuensi secara tiba-tiba menyebabkan putaran motor lebih tinggi dibandingkan dengan ketika keadaan normal. Di lain pihak jika terjadi penurunan tegangan secara tiba-tiba apalagi jika jauh dari batas normal dan dalam waktu yang cukup lama akan menyebabkan motor menarik arus lebih besar yang mengakibatkan motor menjadi panas. Jika keadaan itu dibiarkan terlalu lama akan menyebabkan motor terbakar. Untuk mengatur putaran rotor pada generator ini tergantung penggerak yang digunakan ( governor ). Jika penggeraknya berupa mesin diesel maka pengaturan frekuensinya dengan cara mengatur bahan bakar yang masuk pada sistem pembakarannya. Tapi karena sebagian besar energi listrik yang dibangkitkan di Negara ini be rupa mesin uap dan pembangkit listrik tenaga air maka yang perlu diatur adalah jumlah katup yang digunakan untuk mengalirkan uap atau air yang akan digunakan untuk memutar rotornya. Pengaturan jumlah katup yang akan mengalirkan uap atau air itu disesuaikan dengan frekuensi yang dideteksi oleh sensor detektor frekuensi yang d ipasang pada pada saluran transmsisi. Penempatan sensor frekuensi ini idealnya berada sedekat mungkin dengan beban, karena beban yang akan menerima dampak langsung dari perubahan tegangan dan frekuensi. Namun hal ini

tidak bisa dilakukan karena jarak beban biasanya jauh dari pembangkit. Sehingga penempatan sensor frekuensi ini diletakkan pada saluran transmisi yang paling dekat dengan pembangkit. 3.2. PEMODELAN SISTEM TENAGA LISTRIK DENGAN SIMULINK 

Untuk mengetahui bagaimana sebuah sistem pengatur frekuensi yang terpasang pada generator,  bisa dimodelkan dengan menggunakan fasilitas Simulink yang ada pada paket program Matlab 7.0.1. Pemodelan ini betujuan untuk mempermudah analisa pengaruh kontrol frekuensi ketika  pada sistem mengalami perubahan tegangan, arus, dan frekuensi yang disebabkan pembebanan  pada keadaan normal maupun ketika terjadi gangguan pada saluran distribusi maupun pada saluran transmisi.

Gambar 3.1. Pemodelan sistem tenaga listrik dengan Simulink Generator yang digunakan pada sistem pengbangkit menggunakan generator sinkron. Pemilihan generator sinkron ini karena sebagian besar generator yang digunakan pada sistem tenaga listrik adalah generator sinkron. Generator sinkron mempunyai kapasitas pembangkitan yang sangat  besar, selain itu pengaturan daya aktif dan daya reaktifnya relatif mudah karena cukup mengatur  putaran generator dan arus eksitasinya. Pemodelan sistem tenaga listrik yang ditunjukkan pada Gambar 3.1 menunjukkan sebuah sistem tenaga listrik yang terdiri atas generator sinkron, transformator, sistem transmisi dan beban. Pada  pemodelan tersebut dibuat berbagai skenario yang sering muncul pada sistem tenaga listrik. Skenario yang digunakan bertujuan untuk memahami bagaimana sistem tersebut bekerja ketika mendapatkan pengaruh baik dari dalam maupun dari luar. Pengaruh dari dalam berupa  pemasangan dan pelepasan beban secara tiba-tiba, sementara untuk pengaruh dari luar berupa gangguan hubung singkat.

Pada bagian pembangkit, dalam hal ini generator sinkron, kita dapat melihat bagian input generator yang berupa sistem turbin hidrolik sebagai gov ernor yang menggerakkan rotor generator dan sistem eksitasi yang berupa arus searah (DC). Turbin hidrolik ini berfungsi sebagai  penggerak utama rotor pada generator sinkron dimana putarannya menentukan bersarnya daya aktif yang dihasilkan generator. Semakin tinggi pu taran turbin maka putaran generator meningkat yang diikuti kenaikan da ya listrik dan tegangan sistem. Sementara bagian eksitasi  berguna untuk mengatur besarnya daya reaktif yang dihasilkan oleh generator tersebut sekaligus mempengaruhi besarnya tegangan keluaran generator. Dalam pemodelan yang dilakukan pada pembahasan kontrol frekuensi ini, setiap titik yang  berhubungan dengan kinerja sistem diukur dengan tegangannya agar terlihat bagaimana bentuk gelombang yang dihasilkan, besarnya tegangan, dan frekuensi yang terukur pada berbagai keadaan. Pada Gambar 3.1 menjelaskan spesifikasi setiap kompo nen sistem. Generator sinkron yang digunakan berkasitas 200 MVA dengan kutup sepatu, tegangan keluaran statornya 13,8 kV frekuensi 50 Hz. Daya yang dihasilkan ini langsung masuk ke transformator step-up untuk menaikkan tegangan dari 13,8 kV menjadi 150 kV. Daya listrik itu lalu masuk ke saluran transmisi 150 kV, sesampai di ujung saluran tegangan diturunkan dengan menggunakan trafo  step down menjadi tegangan 20 kV. Setelah itu daya listrik disalurkan ke beban-beban tegangan rendah dengan diturunkannya lagi tegangan menjadi 220 V saluran satu fase atau 380 tiga fase. Pada masing saluran dibebani dengan beban tertentu. 3.3. SKENARIO PEMODELAN SISTEM

Pada simulasi sistem tenaga listrik dengan menggunakan fasilitas simulink ini disusun beb erapa skenario yaitu: 1. Memasang beban ketika generator mulai berputar menghasilkan daya listrik 2. Penambahan beban ke sistem dengan kapasitas tertentu 3. Pelepasan sebagian besar beban yang terpasang 4. Menghubung singkat ujung saluran distribusi tegangan rendah 5. Memutus hubung singkat yang terjadi pada ujung saluran distribusi tegangan rendah

6. Menghubung singkat saluran distribusi 20 kV 7. Melepaskan hubung singkat saluran distribusi 20 kV dari sistem. Setiap skenario yang dilakukan pada pemodelan ini diatur dengan menentukan waktu pada tiaptiap skenario dengan interval waktu tertentu. P roses pada masing-masing skenario diatas adalah sebagai berikut. 3.3.1. Memasang beban ketika generator mulai berputar menghasilkan daya listrik 

Pada periode ini, beban yang terpasang adalah 5 MW pada tegangan 13,8 kV dan 10 MW pada tegangan 150 kV. Beban-beban tersebut terpasang ketika generator masih dalam keadaan diam terus berputar sampai mencapai levelnya. Generator mencap ai kecepatan levelnya dari posisi diam membutuhkan waktu sekitar 0,8 detik. Sebelum mencapai levelnya, generator itu mendapatkan beban sebesar 100 MW pada saat 0,5 detik dari mulai berputarnya generator. Bentuk gelombang tegangan yang terukur pada saluran transmisi ditunjukkan pada Gambar 3.2 di bawah ini

Gambar 3.2. Gelombang tegangan pada saluran 150 kV Pada Gambar 3.2 di atas dapat kita lihat bagaimana generator terus berputar sampai mencapai level yang diinginkan yaitu tegangan keluaran sebesar 1 pu (per unit). Artinya tegan gan sistem  pada saluran tersebut mencapai level 150 kV antar fase. Penambahan beban 100 MW tersebut dipasang pada saluran distribusi 20 kV dimana biasanya sebagian besar dari beban tersebut adalah beban industri yang sebagian bebannya berupa motor

listrik. Tegangan sistem pada saluran distribusi 20 kV yang terukur diperlihatkan pada Gambar 3.3 di bawah ini.

Gambar 3.3 Gelombang tegangan pada saluran distribusi 20 Kv 3.3.2. Penambahan beban ke sistem dengan kapasitas tertentu

Penambahan atau memasukkan beban lagi ke sistem sebesar 100 MW. Pada kondisi normal,  penambahan beban ini akan menyebabkan penu runan tegangan secara keseluruhan. Namun karena sistem generator sinkron yang digunakan telah dilengkapi dengan sistem kontrol frekuensi otomatis pada HTG (Hydraulic Turbine and Governor) dan sistem eksitasi yang  besarnya aliran arusnya juga dibuat otomatis maka sistem dengan cepat menyesuaikan kondisi sistem sehingga tegangan tetap stabil pada level yang telah ditetapkan. Penambahan beban 100 MW tersebut dilakukan pada detik 1 setelah generator menyala dimana  beban tersebut dipasang pada saluran distribusi tegangan rendah 380 V. Cepatnya sistem kotrol frekuensi yang dipadu dengan otomatisasi sistem eksitasi membuat sistem ini stabil dan tidak mengalami gangguan ketika ditambah beban yang besar, hanya ada sedikit perubahan tegangan yang tidak sampai setengah siklus. Hal ini membuat sistem menjadi handal ketika penambahan  beban dilakukan secara bertahap tanpa harus mengatur besarnya daya listrik yang dihasilkan generator secara manual, dimana penmgaturan manual akan menciptakan delay yang cukup  besar. Hasil simulasi tegangan listrik pada saluran distribusi tegangan rendah 380 volt yang terukur  pada saluran saluran tersebut ditunjukkan pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4 Tegangan pada saluran distribusi tegangan rendah 380 volt. 3.3.3. Pelepasan sebagian besar beban yang terpasang

Pelepasan beban dalam hal ini adalah melepaskan sebagian besar beban yang terpasang pada sistem menjadi tidak terhubung lagi dengan sistem tenaga listrik. Beban yang dilepas disini adalah beban yang dihubungkan secara bertahap pada skenario sebelumnya yaitu sebesar 200 MW. Pelepasan beban tersebut dilakukan pada detik ke 1,5. Pelepasan beban yang sangat besar dan tiba-tiba ini menyebabkan rotor generator berputar terlalu ringan yang mengakibatkan kenaikan tegangan secara tiba-tiba melebihi level tegangan yang telah ditetapkan. Kenaikan tegangan yang terjadi ini terjadi baik pada saluran transmisi 150 kV maupun pada saluran distribusi. Kenaikan tegangan pada saluran transmisi 150 kV terlihat Gambar 3.5 dibawah ini.

Gambar 3.5 Tegangan pada saluran transmisi ketika pelepasan beban Pada saluran distribusi 20 kV, tegangan yang terukur meningkat sangat signifikan pada detik 1,5 dimana hal ini dapat kita lihat pada Gambar 3.6 sebagai berikut.

Gambar 3.7 Kenaikan tegangan pada saluran distribusi 20 kV Pada saluran distribusi 20 kV tegangan naik mencapai seribu kali dari tegangan normalnya. Perubahan tegangan yang terlalu besar ini bisa membahayakan peralatan listrik. Untuk mengatasi masalah ini digunakan relay over voltage untuk mendeteksi kenaikan tegangan yang melebihi level sistem. Sistem kontrol frekuensi otomatis ketika pelepasan beban yang sangat besar terlihat  bekerja lebih lambat bila dibandingkan dengan ketika penambahan beban secara b ertahap. Butuh waktu yang cukup lama untuk mencapai keadaan normal. Kondisi ini harus dihindari karena dapat merusak seluruh peralatan sistem tenaga listrik. Sementara itu pada saluran distribusi tegangan rendah 380 volt juga terjadi kenaikan tegangan yang sangat signifikan seperti pada saluran distribusi 20 kV yaitu sekitar seribu kali dari tegangan normalnya. Tegangan yang terukur diperlihatkan pada Gambar 3.8 di bawah ini.

Gambar 3.8 Tegangan listrik pada saluran distribusi tegangan rendah 380 V 3.3.4. Menghubung singkat pada ujung saluran distribusi tegangan rendah

Pada skenario ini, dimana hubung singkat yang dilakukan adalah hubung singkat tiga fasa simetris. Hubung singkat tiga fasa simetris ini dipilih karena arus terbesar ketika hubung singkat adalah ketika ketika fasanya mengalami hubung singkat bersamaan. Skenario hubung singkat ini dilakukan pada saluran distribusi 380 volt dimana terjadi pada detik ke-2 dan berakhir pada detik 2,5. Respon sistem terhadap gangguan hubung singkat diperlihat pada pengukuran di masingmasing bagian saluran. Pada saluran tegangan 380 volt perubahan tegangan dapat dilihat pada Gambar 3.9 di bawah ini.

Gambar 3.9 Perubahan tegangan pada saluran 380 volt Pada detik ke-2 dapat kita lihat tegangan sistem turun sesaat lalu naik menc apai kondisi steady stead hanya dalam waktu beberapa milidetik saja. Hal ini karena kontrol frekuensi yang cepat merespon perubahan system dengan baik. Sementara itu pada saluran distribusi tegangan 20 kV perubahan tegangan yang terukur diperlihatkan pada Gambar 3.10 di bawah ini.

Gambar 3.10 Perubahan tegangan pada saluran distribusi 20 kV

Tegangan yang terjadi ini masih terlalu tinggi jika dibandingkan dengan tegangan nominal yang seharusnya disalurkan. Begitu juga pada saluran transmisi 150 kV terjadi perubahan tegangan diperlihatkan pada Gambar 3.11 sebagai berikut.

Gambar 3.11 Perubahan tegangan pada saluran transmisi 150 kV 3.3.5. Memutus hubung singkat yang terjadi pada ujung saluran distribusi tegangan rendah

Memutus hubung singkat ini berarti membebaskan sistem dari gangguan yang terjadi. Keadaan ini membuat sistem yang awalnya mengalami gangguan berangsur-angsur kembali ke keadaan normal. Pelepasan gangguan ini membuat sistem mengalami perubahan yang ekstrim. Kondisi dapat dilihat pada masing-masing saluran. Masing-masing hasil simulasi yang terukur diperlihatkan pada Gambar 3.12, Gambar 3.13, dan 3. 14 dibawah ini.

Gambar 3.12 Lonjakan tegangan tiba-tiba pada saluran 380 volt

Gambar 3.13 Perubahan tegangan pada saluran 20 kV

Gambar 3.14 Perubahan tegangan pada saluran transmisi 150 kV 3.3.6. Menghubung singkat saluran distribusi 20 kV

Hubung singkat yang terjadi pada saluran distribusi 20 kV pasti berbeda dengan hubung singkat yang terjadi pada saluran didtribusi tegangan rendah 380 volt karena kapasitas daya yang disalurkan berbeda. Gangguan hubung singkat yang terjadi menyebabkan penurunan tegangan secara tiba-tiba dengan diikuti aliran arus yang san gat besar. Penurunan tegangan ini terjadi di semua saluran, baik saluran transmisi 150 kV, saluran distribusi 20 kV, maupun pada saluran distribusi tegangan rendah 380 volt. Pada saluran distribusi tegangan rendah 380 volt, perubahan tegangan diperlihatkan pada Gambar 3.15 sebagai berikut.

Gambar 3.15 Perubahan tegangan pada saluran 380 volt ketika hubung singkat. Pada saluran distribusi 20 kV dimana pada saluran tersebut tejadi gangguan hubung singkat tiga fasa simetris diperlihatkan pada Gambar 3.16 di bawah ini.

Gambar 3.16 Perubahan tegangan pada saluran distribusi 20 kV Sedangkan pada saluran transmisi, perubahan tegangan ketika terjadi hubung singkat pada saluran distribusi 20 kV tidak terlalu signifikan. Perubahan tersebut diperlihatkan pada gambar 3.17 sebagai berikut.

Gambar 3.17 Perubahan tegangan pada saluran transmisi 150 kV

3.3.7. Melepaskan hubung singkat saluran distribusi 20 kV dari sistem

Pelepasan gangguan hubung singkat yang terjadi pada saluran distribusi 20 kV ini berarti membebaskan sistem dari turunnya tegangan secara drastic dan kenaikan arus yang sangat besar.  Namuna pembebasan sistem dari gangguan hubung singkat ini membuat sistem kembali ke keadaan normal dengan cepat. Pada saluran tegangan rendah 380 volt pelepasa beban yang terjadi membuat tegangan kembali normal seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.18 di bawah ini.

Gambar 3.18 Perubahan tegangan pada saluran 380 volt ketika terbebas dari hubung singkat.

Gambar 3.19 Perubahan tegangan pada saluran distribusi 20 kV

Gambar 3.20 Perubahan tegangan pada saluran transmisi 150 kV BAB IV PENUTUP 4.1. KESIMPULAN

Dari hasil pengamatan yang dilakukan dengan menggunakan fasilitas Simulink yang ada pada  program Matlab 7.0.1 bisa diambil beberapa kesimpulan diantaranya adalah sebagai berikut. 4.1.1.

Penggunakan kontrol frekuensi otomatis akan meningkatkan keandalan sistem tenaga

listrik ketika terjadi perubahan beban pada sistem yang terpasang. 4.1.2.

Pada saat penambahan beban, sistem mengalami penurunan tegangan sesaat ketika

 beban tersebut terhubung dengan sistem, namun keadaan ini sangat cepet pulih ke k ondisi normal karena kotrol frekuensi yang terpasang dan bekerja secara otomatis. 4.1.3.

Ketika pelepasan beban yang sangat besar, hampir dari seluruh beban yang terpasang

dilepas secara tiba-tiba menyebabkan sistem mengalami tegangan lebih yang nilainya bekali-kali lipat dibandingkan keadaan normal. Namun dalam hasil simulasi, kontrol frekuensi tidak bisa merespon secepat ketika penambahan beban. 4.1.4.

Ketika terjadi hubung singkat pada saluran, baik pada saluran distribusi tegangan

rendah maupun pada saluran didtribusi tegangan menengah, terjadi penurunan tegangan secara drastic pada saluran tersebut. Kinerja kontrol frekuensi masih bisa berjalan namun respon untuk kembali ke posisi mantap ( steady stead ) membutuhkan waktu beberapa detik.