Konfigurasi Sistem Tenaga : Single Machine Infinite Bus

Untuk lebih mengenal stabilitas di sistem tenaga, salah satu langkah awal yang perlu dipelajari adalah sistem tenaga terkecil yaitu Single Machine Infinite Bus (SMIB) seperti terlihat pada gambar 1.

Gambar 1 . konfigurasi SMIB

Sistem tersebut terdiri dari generator sinkron yang dihubungkan dengan infinite bus melalui jalur transmisi (transmission line) dengan reactance Xe. Generator juga dilengkapi dengan AVR ( automatic Voltage Regulator), Exciter dan PSS(power system stabilizer). Salah satu tujuan kita adalah mendesign kendali pada PSS sehingga sistem menjadi stabil diberbagai kondisi.

Untuk mempermudah dalam mendesign kendali PSS, kita bisa menggunakan linearized model. salah satu model yang umum dan sering dipakai oleh para peneliti adalah Heffron-Philips model seperti terlihat pada gambar 2.

Gambar 2. Linearized model SMIB

Dari gambar 2 diatas, kita tahu bahwa pemodelan sistem SMIB diatas menggunakan sistem orde-4 yang terdiri dari load angle, rotor angle, internal voltage pada generator dan field voltage.

Untuk lebih jelasnya, kita langsung menuju contoh sistem SMIB seperti pada referensi, dengan sistem data sebagai berikut :

dimana konstanta K1 sampai K6 dapat dihitung dari persamaan dibawah ini:

Setelah kita tahu semua nilai dari masing-masing parameter di sistem, langkah selanjutnya adalah memasukkannya kedalam bentuk persamaan state space agar lebih mudah digunakan dalam mendesign kendali PSS-nya, persamaan umum state space adalah:

Apa itu state space? dan bagaimana menghitungnya? anda bisa belajar dari buku.
dan untuk sistem SMIB, kita dapat persamaan state space seperti ini:

Kemudian, dengan menggunakan persamaan tersebut, kita dapat mendesign kendali sesuai dengan yang kita inginkan. contohnya adalah dengan cara gabungan antara Genetic Algotithm dan H-infinite Loop shaping. Tujuannya adalah untuk men-tuning parameter PSS yang optimal, sehingga memenuhi syarat H-infinite loop shaping, namun untuk detailnya tidak dibahas di-artikel ini. Insya Allah saya akan membahas dengan lebih detail di artikel lain.

Anggap hasil tuning PSS adalah sebagai berikut:
RPSS merupakan hasil tuning GA-H_infinite Loop shaping:
CHPSS merupakan hasil perhitungan dengan H-infinite loop shaping secara konvensional:

CPSS merupakan PSS yang ada di paper referensi [1]:

Kita lihat dari stuktur masing-masing kendali diatas, dimana RPSS dan CPSS mempunyai struktur yang sama yaitu lead-lag controller orde 2. Lead lag kontroller banyak digunakan di industri sistem tenaga. Sedangkan CHPSS memiliki struktur yang tidak teratur dengan orde tinggi sehingga sulit untuk diaplikasikan di sistem real.

untuk menguji performa masing-masing kendali diatas, kita coba ketiga kendali diatas di beberapa kondisi kerja sistem tenaga seperti pada table 1.

Berikut ini hasil simulasi ketiga kendali di 4 kondisi kerja di table 1:

1. Kondisi 1, Kondisi normal yaitu kondisi saat mendesign PSS

2. Kondisi ke-2, Weak line condition dengan menaikkan reactance dari 0.4 menjadi 0.8
3. Kondisi ke-3, Heavy Load and weak line, yaitu dengan menaikan Active power dan reactance
4. Kondisi ke-4, Unstable state, dimana damping sistem menjadi negatif

Dari keempat hasil simulasi tersebut, kita lihat bahwa CPSS hanya mempunyai performa yang bagus pada kondisi pertama saja, pada kondisi kedua CPSS mulai tidak stabil dan kondisi 3 dan 4, CPSS tidak sanggup lagi meredam oscillation dan sistem menjadi tidak stabil.
sedangkan CHPSS dan RPSS, keduanya mampu membuat sistem stabil pada semua kondisi, namun RPSS memiliki struktur yang sederhana dan mudah diaplikasikan di industri, berbeda dengan CHPSS yang memiliki struktur yang sulit diaplikasikan walaupun memiliki performa yang bagus.

Sekian bahasan singkat tentang stabilitas pada SMIB system.

semoga bermanfaat

referensi
1. Rao P.S and Sen, 1999" Robust tuning of Power Ssytem Stabilizers using QFT" IEEE Trans. on Control System technology, Vol.7 , No.4, pp, 478-486

-->
2. Cuk Supriyadi, Issarachai Ngamroo, T. Goda el." Robust power system stabilizer design based on Genetic algorithm-fixed H_∞ Loop shaping control " the 17th World congress IFAC 2008, Seoul, Korea, pp. 11086-11091 -->

Cuk supriyadi
staff BPPT RI