Sekilas Perkembangan Governor 

(Main Inlet Control System) pada Turbin Uap

Main inlet control system yang dimaksud disini adalah sistem kendali untuk mengatur jumlah uap yang masuk pada sebuah Turbin agar kecepatan putar turbin tetap konstan sesuai spesifikasi dengan berbagai kondisi beban. Alat yang digunakan sering disebut Governor. Berikut sekilas perkembangan Governor.

Pada awal ditemukan governor, teknologi yang digunakan adalah mekanik governor, governor tipe ini mempunyai konstruksi yang sangat sederhana. Kinerja governor ditentukan oleh gaya sentrifugal yang diperoleh dari bobot pengatur kecepatan rotor turbin. Karena gaya sentrifugal yang dihasilkan tergantung pada bobot pengatur yang ukurannya relatif sangat kecil (beberapa kilo gram), sehingga teknologi ini hanya terbatas untuk aplikasi di turbin-turbin kapasitas yang kecil (50-60 kW) dengan katup-katup pengatur yang berukuran kecil. Karena perkembangan kapasitas turbin, maka diperlukan rekayasa teknologi governor.

Pada akhir tahun 1800-an, turbin uap mulai dikontrol dengan menggunakan sistem mechanical-hydraulic control (MHC) dimana kecepatan putaran diatur dengan menggunakan flyweight governor yang ditemukan oleh james watt. Kemudian sinyal ditrasmisikan melalui tuas dan bar atau hydraulic pressure signals, dan dengan menggunakan low pressure hydraulic, tenaga dihasilkan untuk mengontrol bukaan valve yang mengatur besar-kecilnya uap yang masuk ke turbin uap melalui inlet. Karena bertambahnya kompleksitas sistem, teknologi ini banyak digunakan sampai dengan pertengahan 1960-an dan mulai dikembangkan teknologi governor yang baru.

Pada tahun 1960 dikenalkan teknologi electro-hydraulic control (EHC). Unit pertama diterapkan pada turbin ukuran medium yang dibangun pada tahun 1961, dan unit reheat ukuran besar pertama dibuat pada tahun 1968. Namun, teknologi ini masih menggunakan proportional kontrol dengan rangkaian analog dengan dual redundant untuk kebutuhan kontrol kecepatan dan 1 saluran untuk merepresentasikan sistem logika dan proteksinya. Sistem ini terdiri dari discrete component analog circuit.

Pada tahun 1970-an, rangkaian diatas diperbaharui dengan teknologi integrated circuit (IC) dan solid state logic pada beberapa sistem proteksi dan logika-nya. Hasilnya, unit govenrnor mulai banyak menggunakan komponen IC didalamnya, sehingga perlu perubahan bentuk kabinet yang digunakan. Namun, teknologi ini masih menggunakan sistem diskrit, sehingga dengan adanya kemajuan teknologi lanjutan dibidang elektronik, terjadi perkembangan teknologi governor yang menggunakan IC dan micro-processor untuk otomasinya.

Pada Tahun 1980-an, mulai dikenalkan teknologi sistem kontrol digital governor dengan triple redundant. Teknologi digital mulai diterapkan tahun 1987 pada turbin gas yang didalamnya menggunakan banyak modul-modul elektronik yang dilengkapi dengan Software Implemented Fault Tolerance (SIFT). Keuntungan sistem digital ini adalah sistem kontrol lebih fleksibel dan lebih presisi karena fungsi-fungsi yang digunakan banyak dijalankan dengan software daripada menggunakan hardware, selain itu interface operator sudah menggunakan CRT monitor, adanya fasilitas data link dan fasilitas repair secara online. Teknologi ini juga menyediakan triple redundant dan adanya perbaikan-perbaikan lanjutan kearah peningkatan reliability.

Sejalan dengan perkembangan parameter kontrol yang harus di handle dan kompleksitas sistem, maka unit kontrol turbin uap tidak lagi bertugas untuk mengendalikan proses, namun juga untuk mengontrol sistem proteksi dan penambahan fungsi monitoring. Tentu hal ini akan membutuhkan teknologi high control bandwidth atau teknologi yang menghasilkan reliability yang sangat tinggi, atau menggunakan kedua teknologi tersebut secara bersamaan untuk mendapatkan long-term reliable operation dan service of turbine. Sehingga sistem tersebut dapat disebut sebagai ”Sistem Kontrol Unit Turbin” dimana pengontrolan tidak lagi dilakukan secara parsial, namun dilakukan secara terpadu dengan menggunakan DCS (distributed control system) yang dilengkapi D-EHC (digital electohydraulic control) dan D-AVR (digital automatic voltage regulator).

 Diagram remote control pada sistem kontrol turbin.

Contoh diagram pada sistem kontrol turbin yang dilakukan secara automatis dan jarak jauh (remote) dari ruang kontrol dapat dilihat pada gambar. Sistem ini tidak hanya mengontrol kecepatan turbin, namun sudah terpadu dengan trip device, process control dll. Salah satu contoh proses konversi dari sistem kontrol mekanik-hidraulik governor menjadi kontrol elektro-hidraulik adalah pada tujuh unit power generation di Doha East Power Station, Kuwait. Pada tahun 2009, konversi sudah dilakukan pada enam unit power generation dan telah beroperasi dengan baik. Mekanik-hidraulik governor telah diganti dengan kontroler digital dan beberapa device yang sesuai. Hasilnya adalah maintenance yang lebih mudah dibanding sistem mekanik governor, selain itu pengoperasian yang lebih mudah karena prosedur yang terdapat pada layar dan penambahan fungsi pengoperasian otomatis seperti start up turbin dan pengontrol beban generator secara otomatis. Selain itu, umur alat dan fungsi telah disempurnakan menjadi lebih dari 30 tahun turbin generator.

Untuk penjelasan konsep kendali pada beberapa tipe governor yang lebih detail, insya Alloh akan disampaikan pada tulisan terpisah.

Musim Panas 2012 di JEPANG

“HEMAT atau PEMADAMAN”

(Efek PLT-Nuklir tidak beroperasi)

Efek gempa dan tsunami Jepang pada bulan Marert 2011 masih sangat terasa efeknya sampai sekarang, terutama hal yang berbau nuklir. Masyarakat yang trauma akan musibah PLTN Fukushima Daiichi, menghendaki untuk menghentikan semua PLTN di Jepang walaupun sudah dilakukan tes ulang dan perawatan rutin terhadap PLTN-PLTN di seluruh Jepang. Akhirnya pada tanggal 5 mei 2012, PLTN terakhir di Jepang di shut down sampai batas yang belum ditentukan yang menandai semua PLTN di Jepang tidak beroperasi lagi. Artinya Jepang akan kehilangan sekitar 30% energi listriknya, tentu ini adalah jumlah yang tidak sedikit. Untuk menutupinya, pembangkit konvensional dan berumur tua pun terpaksa harus diminta turun tangan, efisiensi rendah juga sudah tak dihiraukan. Walaupun para sesepuh dari kalangan pembangkit harus turun gunung, namun diperkirakan belum bisa memenuhi kebutuhan pada saat beban puncak khususnya muslim panas nanti atau musim dingin tahun depan.

Apa efek selanjutnya?? Tentu kita sudah dapat menebak, jika jumlah permintaan listrik/ beban yang lebih besar dari pada pembangkit-nya, tentu akan terjadi pemadaman. Kemudian, apa langkah berikutnya untuk menanggulangi masalah tersebut dalam waktu dekat? Jawab-nya adalah HEMAT. Pemerintah Jepang akan menganjurkan atau bahkan mendesak Industri dan masyarakat di Jepang untuk berhemat. Misalnya untuk wilayah barat Jepang, Kansai electric power meminta konsumen kalangan industri berat yang masuk daerah operasional-nya untuk menghemat listrik sampai 15%. Sedangkan untuk wilayah lainnya diminta untuk berhemat sekitar 5-10% dari penggunaan normal khususnya pada masa musim panas antara Juli-September. Pemerintah Jepang juga akan mencari jalan keluar agar penghematan tersebut tidak banyak mengganggu kegiatan ekonomi dan rumah tangga.

Salah satu contoh cara penghematan ala masyarkat Jepang adalah kampanye pada Juni tahun lalu“ Super Cool Biz”, dimana pekerja diminta memakai pakaian ala hawai, T-shirt dan sandal untuk menghemat penggunaan listrik untuk pendingin ruangan (AC). Sedangkan mulai bulan November, dianjurkan untuk memakai sweater yang tebal karena masuk musim dingin.

Saat ini adalah akhir bulan Mei dan akan memasuki musim panas pada bulan Juli nanti, penghematan harus dilakukan untuk menghindari pemadaman. Apakah program penghematan tersebut berhasil, apakah masyarakat Jepang betah hidup tanpa PLT-nuklir atau PLT-Nuklir akan beroperasi kembali, bagaimana strategi atau kebijakan selanjutnya untuk mengatasi krisis energi di Jepang. Kita tunggu kabar selanjutnya

Untuk saat ini :

"BERHEMAT atau PEMADAMAN"

Sumber : Japan urges citizens to cut down on electricity use, BBC, 18 Mei 2012.

JEPANG dibelah dengan 2 Sistem Jaringan Listrik

(Belajar dari tsunami 2011)

Gempa dan Tsunami besar di Fukushima Jepang pada tahun 2011 mengakibatkan berhentinya 6 reaktor PLTN di Fukushima Daiichi yang melayani listrik Jepang bagian Timur (Tokyo, Yokohama, Tohoku, Hokaido), sehingga mengakibatkan rolling blackout (pemadaman bergilir) di daerah timur Jepang. Disisi lain, Jepang bagian barat yang tidak terpengaruh dengan gempa dan tsunami pada saat itu masih memiliki cadangan daya. Namun sayang, kelebihan daya tersebut tidak bisa digunakan untuk membantu kekurangan daya di daerah timur secara maksimal. Mengapa demikian??

Tulisan ini mencoba untuk menjelaskan alasan utama mengapa kelebihan daya di bagian barat tidak bisa disalurkan secara maksimal ke bagian timur. Alasan utamanya adalah karena Jepang dipisah menjadi dua sistem jaringan listrik. Walaupun seluruh Jepang menggunakan tegangan outlet 100 V, namun kedua daerah tersebut beroperasi pada frekuensi yang berbeda, dimana bagian timur menggunakan standart frekuensi 50 Hz sedangkan bagian barat menggunakan frekuensi 60 Hz. Sebenarnya keduanya terhubung dengan 3 buah stasiun koverter frekuensi di Higashi-Shimizu, Shin Shinano dan Sakuma. Namun sayang, daya yang bisa dihandle sangat kecil dan terbatas dibanding kekurangan daya pada saat tsunami 2011 kemarin. 3 (tiga) stasiun konverter tersebut hanya bisa menyalurkan 1 GW, sedangkan kehilangan daya akibat bencana tsunami tahun 2011 adalah sebesar 9.7 GW sehingga transfer daya dari bagian barat tidak bisa membantu secara signifikan. Gambar stasiun konverter frekuensi di Sakuma dapat dilihat pada gambar 1.

 Gambar 1. Stasiun Konverter Frekuensi di Sakuma, Jepang

Nah, kota atau wilayah mana saja yang termasuk jaringan listrik Jepang bagian timur dan jaringan listrik bagian barat? Gambar 2 memperlihatkan peta wilayah jaringan listrik bagian barat dan bagian timur. Bagian barat ditandai dengan garis berwarna biru, sedangkan bagian timur ditandai dengan garis merah.

Gambar 2. Wilayah jaringan listrik Jepang bagian barat dan timur

Mengapa bisa terjadi dalam satu negara terdapat 2 (dua) sistem jaringan listrik? salah satu jawabannya adalah karena kedua jaringan listrik tersebut dibangun oleh 2 perusahaan yang berbeda dengan pengadaan peralatan dari negara yang mempunyai sistem yang berbeda. Tokyo Electric Light Co yang berdiri pada tahun 1883 dan bertugas membangun jaringan listrik bagian timur membeli peralatan dari perusahaan AEG, Jerman pada tahun 1885, dimana Jerman menggunakan standart eropa dengan frekuensi 50 Hz. Sedangkan jaringan listrik Jepang bagian barat dibangun oleh Osaka Electric Lamp yang membeli peralatan dari GE (General Electrics), Amerika yang menggunakan stadart frekuensi sebesar 60 Hz. Itulah yang menyebabkan kedua wilayah mempunyai standart frekuensi yang berbeda di Jepang sampai saat ini.

Pertanyaan selanjutnya, mengapa sekarang belum disamakan standartnya mengingat kejadian tsunami tersebut atau kejadian-kejadian sebelumnya? saya sendiri kurang tahu alasan pastinya, namun kemungkinan besar adalah masalah biaya/dana konversi yang sangat besar, karena harus mengganti dan/atau memodifikasi sebagian besar peralatan yang sudah ada.

Itulah penjelasan ringkas dan sederhana mengenai sistem jaringan listrik di Jepang. Semoga bermanfaat dan menambah pengetahuan kita tentang listrik.

Sumber :

1. Martyn Williams, ' A legacy from the 1800s leaves Tokyo facing balckouts', March, 2011
2. Mark Fischetti,' Japan's two incompatible power grids make disaster recovery harder', March, 2011
3. naritama.org/report/jpower_sakuma.html

Mengenal Kerja Microgrid Power System

Mengenal Kerja Microgrid Power System

Akhir-akhir ini, kata Microgrid semakin sering didengar dikalangan para engineer sistem tenaga listrik. Apa dan bagaimana microgrid bekerja? Disini kita coba membahas sedikit tentang microgrid.

Microgrid bisa disebut juga ‘jaringan mikro’, tentu yang dimaksud disini adalah jaringan mikro pada sistem tenaga listrik. Microgrid sangat berkaitan dengan Distributed Energy Resources (DER) yang didalamnya terdapat pembangkit terdistribusi, penyimpan energi (energy storage) yang lokasinya dekat dengan beban lokal. Salah satu keuntungan microgrid adalah meningkatkan ketahanan sistem.

Microgrid merupakan sistem yang terdiri dari minimal satu sumber energi yang terkoneksi dengan beban pada daerah yang relatif kecil. Dalam microgrid, sumber energi dan beban bisa terhubung maupun terputus ke jaringan distribusi (grid), tentu dengan gangguan pada beban yang seminimal mungkin, sehingga perlu perencanaan yang bagus untuk menghindari masalah tersebut.

Pada saat microgrid terputus dengan jaringan distribusi (grid) dimana interconnection switch dalam keadaan terbuka, microgrid harus mampu mensupply beban local dengan pembangkitnya sendiri karena pada kondisi ini jaringan listrik tidak bisa membantu men-suplly listrik ke beban, kondisi ini disebut islanded mode. Selain microgrid harus dapat memenuhi kebutuhan beban, microgrid juga harus bisa menjamin kualitas frekuensi dan tegangan, karena pada umunya akan terjadi ‘gangguan sesaat’ pada saat proses pergantian dari kondisi terkoneksi grid ke kondisi islanded mode. Besar dan lama gangguan sangat ditentukan kualitas teknologi switch-nya. Pada dasarnya ada empat teknologi yang sangat penting dalam microgrid yaitu Distributed generation (DG), Distributed Storage (DS), interconnection switches dan sistem control, dimana semuanya harus bekerja dengan baik dan sesuai harapan sehingga perlu desain yang bagus dan harga yang seminim mungkin tentunya. Topologi microgrid power system dapat dilihat pada gambar.

Untuk pembahasan lebih detail satu persatu teknologi utama pada microgrid tersebut yang meliputi : Distributed Generation, Distributed Storage, Interconnection switches dan Control system, akan dibahas pada pembahasan selanjutnya.

Sumber : Buku Power System, analysis and design, J.D Glover, M.S. Sarma dan T.J. Overbye

Alasan utama munculnya kembali low frequency oscillation di Sistem Tenaga Listrik

Setelah pada tulisan sebelumnya kita membahas bagaimana awal muasal terjadinya low frequency oscillation, bagaimana menanggulanginya dan akhirnya permasalahan itu muncul lagi. Sekarang timbul pertanyaan yang menarik yaitu mengapa masalah itu muncul kembali?

Pada edisi ini, saya coba untuk bercerita secara singkat tentang sebab utama munculnya kembali low frequency oscillation. Ada 2 hal yang menjadi penyebab utamanya menurut referensi yang sama pada tulisan sebelumnya :

1. Tingginya setting gain dan rendahnya time constant pada automatic voltage regulator (AVR).
2. Terlalu banyak jaringan transmisi yang panjang sehingga melebihi kemampuan (weak line).

Pertama adalah masalah tingginya gain pada AVR.
Sebelumnya, kita akan bahas secara singkat tentang transfer function dari AVR, agar lebih mudah memahami pengaruh gain dan time constant AVR. Struktur AVR sering direpresentasikan sebagai transfer function orde 1 seperti gambar 1 dibawah ini :

Gambar 1. AVR

dimana : Ka = Gain, ini fungsinya seperti kendali proporsional, dan Ta = time constant, yang menandakan kecepatan respon dari AVR, semakin kecil time constant, semakin cepat respon AVR tersebut

Gambar 2. Pengaruh gain pada AVR terhadap stabilitas sistem tenaga.

Nah, setelah tahu gain dan time constant AVR, mari kita lihat pengaruh keduanya pada low frequency oscillation.
Pada dasarnya gain yang tinggi pada AVR mempunyai 3 maksud:
1. Semakin tinggi gain, tegangan terminal generator akan terkontrol dengan baik, karena tujuan AVR memang membuat tegangan terminal stabil.
2. Gain yang tinggi dapat meningkatkan steady stability limit, dan
3. Gain yang tinggi juga dapat mengingkatkan transient stability limit.

Namun dengan semakin tingginya gain pada AVR, ternyata juga menimbulkan efek samping yaitu semakin lemahnya kemampuan redam (negarif damping) dari generator sehingga berpotensi timbulnya low frequency oscillation.

Dari alasan diatas, dapat disimpulkan bahwa pengaturan gain pada AVR adalah sesuatu yang sangat penting, karena kalau terlalu rendah akan menimbulkan "monotonic instability" dan jika terlalu tinggi akan menimbulkan "low frequency oscillation". Karakteristik gain AVR dapat dilihat pada gambar 2. ( semakin kekanan gain semakin tinggi)

Faktor lainnya yang berpotensi menimbulkan low fequency oscillation adalah
1. Rendahnya time constant AVR.
2. Besarnya reaktansi (Xe) pada jaringan transmisi.
3. Besarnya daya aktif (P) yang melewati transmisi.
4. Besarnya daya reaktif yang negatif (leading/-Q).

Ini didasarkan pada hasil studi tentang pengaruh variasi ke empat parameter diatas terhadap Damping torque dan Synchronous Torque.

Terima kasih

Cuk supriyadi

Cerita asal muasal Low frequency oscillation di Power System

Gambar 1. Contoh gambar Low Oscillation

Gambar 2 . Contoh Monotonic instability

Small Oscillation pada generator sinkron menjadi suatu masalah serius bagi para engineer yang berkecimpung di sistem tenaga listrik. Sebab utamanya adalah karena generator sinkron tersebut terhubung dengan jaringan yang panjang. Untuk diketahui bahwa jika generator sinkron terhubung dengan beban yang terlalu kecil agak lebih mudah timbul oscillation seperti gambar 1 diatas. Sedangkan, dengan beban yang berlebih akan cenderung terganggu sinkronisasinya, dan bisa berakibat lebih fatal dengan hilangnya sinkronisasi-nya yang lebih sering disebut "Monotonic atau non-oscillatory" instability seperti pada gambar 2 diatas. Kedua fenomena diatas dikenal dengan steady state stability pada generator sinkron. Small oscillation lebih disebabkan karena kurangnya Tenaga redam (damping torque), sedangkan Monotonic instability lebih dikarenakan kurangnya Tenaga sinkron ( Sinchronizing torque).

Gambar 3. Kondisi steady state

Untuk menanggulangi masalah tersebut, banyak metode yang sudah dipelajari oleh para peneliti untuk memprediksi dan meredamnya. Penambahan damper winding cukup efektif untuk mengurangi small oscillation. selain itu, efek kondensator sinkron ( Synchronous condenser) dan Pengatur tegangan (AVR) juga sedang dipelajari secara luas. Dengan ketiga hasil studi diatas, kedua permasalahan dalam stabilitas di sistem tenaga sangat terbantu, contoh sistem yang stabil adalah seperti pada gambar 3. Hal ini menyebabkan studi di steady state stability mulai berkurang tajam dan kemudian beralih ke studi tentang transient dan improvementnya.

Namun pada tahun 60-an, fenomena low frequency oscillation mulai muncul kembali di sistem tenaga. Kemudian mulailah dikenalkan penggunaan Power System Stabilizer (PSS) untuk menanggulangi masalah ini. Contoh nyata kejadian low frequency oscillation di sistem operasi tenaga listrik diantaranya adalah jaringan listrik antara Saskatchewan,Manitoba dan Ontario dan juga di USA pada tahun 1960-an.

Berikut ini klasifikasi riset yang telah dilakukan selama 30 tahun terakhir untuk menanggulangi low-frequency oscillation:
1. Studi tentang fenomena small oscillation.
2. Pengembangan teknik untuk menentukan dynamic stability pada sistem yang besar.
3. Penyederhanakan sistem.
4. Pengembangan, pendesignan dan pengujian power system stabilizers (PSS) pada sistem eksitasi.
5. Pengendalian small oscillation dengan peralatan yang lain seperti Governor, SVC atau kendali HVDC dll.

Begitulah sedikit cerita ringkas tentang asal muasal low frequency oscillation pada sistem tenaga listrik.
Namun masih ada cerita menarik tentang mengapa fenomena low frequency tersebut kembali terulang setelah sebelumnya terbantu dengan damper winding, Kondensator sinkron dan AVR?

Insya Allah akan dibahas pada tulisan selanjutnya..

Cuk san

Sumber :
M.A Pai, D.P Sen dan K.R Padiyar "Small signal analysis of Power System"

Cara menghitung persamaan state space

Artikel ini saya tulis untuk menjawab pertanyaan bagaimana cara menghitung persamaan state space dari suatu blok diagram? khususnya bagi pemula dibidang kontrol. pertama, agar lebih menarik, kita juga harus tahu apa pentingnya menghitung persamaan state space dan apa kegunaannya? Dengan persamaan state space, kita dapat menghitung dengan mudah nilai eigenvalue dan damping ratio dari suatu sistem, kedua hal tersebut sangat penting dalam studi kendali, termasuk dalam studi stabilitas sistem tenaga. Dengan kedua parameter tersebut, kita dapat mengetahui stabil tidaknya suatu sistem. selain itu kita dapat menggunakannya sebagai objective function dalam proses optimasi saat tuning parameter kendali, dan masih banyak lagi kegunaan lainnya.

Langsung saja kita ke contoh wind-diesel hybrid power system yang sudah saya singgung diartikel sebelumnya. Kita ulang melihat blok diagram sistem tersebut (klik gambar untuk memperjelas) :

Berikut ini cara menghitung persamaan state space:

1. Pilih salah satu parameter untuk memulainya.

contoh kita mulai dari wind frequency deviation.
Dari blok diagram, kita akan dapat persamaan berikut:

persamaan diatas menunjukkan bahwa wind frequency deviation merupakan hasil perkalian transfer funtion dengan input. input terdiri dari 3 parameter.

2. Lakukan perkalian biasa, sehingga didapat persamaan dibawah ini:

3. tanda "s" merupakan laplace transform, sehingga kita dapat persamaan:

kemudian

4. dari persamaan di step 3 , kita dapat hasil akhir untuk persamaan wind frequency deviation sebagai berikut:

persamaan ini dapat ditulis dalam bentuk state space sebagai berikut :

tanda x sebagai koefisien yang belum diisi, karena kita hanya menghitung wind frequency deviation. x akan diisi ketika kita sudah sampai menghitng delta Pm dan delta Pw.

5. Ulangi Step 1 - 4 diatas untuk semua parameter diblok diagram ( 8 parameter), sehingga kita akan mempunyai 8 persamaan.
6. Susun ke 8 persamaan tersebut seperti step 4 sehingga menjadi sebuah matrik, hasil akhir adalah matrik 8x8 sebagai berikut :

dimana :

Demikian ulasan singkat tentang cara menghitung persamaan state space.

semoga bermanfaat dan saya sangat senang jika ada pertanyaan, saran atau tambahan yang mendukung.

Cuk Supriyadi
BPPT

Aplikasi SMES pada Wind-Diesel hybrid power system

Setelah mengenal apa manfaat energi alternatif dan sistem kerjanya secara umum. saya akan mencoba menjelaskan topik yang lebih spesifik yaitu masalah stabilitas di microgrid power system.

Namun sebelum itu, mari kita lihat beberapa literatur yang sudah membahas stabilitas di microgrid tersebut. Kita tahu bahwa pelanggan adalah raja yang harus dilayani dengan sebaik-baiknya oleh pedagang, begitu juga di power system. Sebagai penyedia jasa, kita harus berusaha agar daya yang dijual kepada pelanggan berkualitas tinggi. salah satu patokan bagus tidaknya pelayanan adalah stabilnya frekuensi. Frekuensi sistem tenaga harus dijaga agar stabil dan dalam spesifikasi teknis yang ditentukan sehingga peralatan-peralatan pelanggan bisa beroperasi dengan bagus, efisien dan awet.

Beberapa strategi/teknologi berikut bisa digunakan baik untuk mengoptimalkan daya antara pembangkit dan beban, maupun untuk mengendalikan frekuensi, seperti : dump load control (woodward,1980), priority switched-load control (Nacfair,1989), flywheel (Davies,1988), superconducting magnetic energy storage(Mitani et.al,1988), dan battery energy storage system (Bhatti,1995). Dump load control dapat menjaga frekuensi pada level yang diinginkan dengan cara mengatur bleeder load, dan kelebihan energi dibuang sebagai panas. Priority switched-load akan membagi beban sesuai dengan daya yang tersedia, tentunya dengan sistem prioritas. Superconducting magnetic dan battery energy storage system bisa mengurangi osilasi frekuensi, namun tidak mampu mengatur pembangkit dan beban untuk menurunkan penyimpangan frekuensi sampai level minimum. Battery bisa menjaga frekuensi dengan cara menyimpan energi dan melepasnya pada saat-saat dibutuhkan. namun battery mempunyai beberapa kelemahan karena efisiensi yang rendah, umur yang pendek dan memerlukan maintenance yang intensive dan mahal.

Dengan adanya beberapa literatur diatas, wawasan kita agak terbuka tentang teknologi yang dapat digunakan untuk meredam fluktuasi daya ataupun frekuensi pada microgrid. Saatnya kita lebih terfokus pada salah satu aplikasi diatas. Sebagai langkah awal, saya akan memberikan contoh sistem yang sederhana yaitu wind-diesel hybrid power system yang terdiri dari sumber tenaga angin sebagai sumber energi utama dan Diesel sebagai back-up jika ketersediaan angin terbatas untuk beberapa hari atau sampai beberapa minggu. Sebagai pendukung, kita instal Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) sebagai piranti penyimpan energi sekaligus sebagai peredam fluktuasi yang ditimbulkan oleh energi angin. oleh karena itu, kita perlu men-design sebuah kendali pada SMES untuk tujuan tersebut.

Konfigurasi Wind-Diesel hybrid power system yang dilengkapi dengan SMES dapat dilihat pada gambar dibawah ini:

Gambar 1. Konfigurasi dasar Wind-Diesel Hybrid power system dengan SMES

Kita lihat dibagian atas adalah Wind power dan bagian bawah adalah Diesel power, SMES diinstal dibagian Wind power untuk meredam fluktuasi frekuensi yang ditimbulkan oleh kecepatan angin yang tidak konstan. Sebenarnya Blade pitch control juga bisa digunakan untuk mengurangi fluktuasi frekuensi, namun masih ada kendala karena responnya yang lambat.

Kemudian, konfigurasi sistem pada gambar 1 diatas dapat dijabarkan dalam bentuk blok diagram dibawah ini:

Gambar 2. Blok diagram Wind-Diesel dan SMES.

Dengan blok diagram tersebut, kita bisa melakukan simulasi dan merancang kendalinya. salah satu cara-nya adalah dengan memakai persamaan state space. Anda bisa menghitung sendiri persamaan state space-nya dari blok diagram diatas.

Data sistem dari Wind-diesel tersebut adalah:

-->

Selanjutnya, kita fokuskan lagi ke struktur SMES dan kendalinya yang terlihat pada gambar 3 berikut:

Gambar 3. SMES dan Kendalinya

Gambar 3 diatas dibagi menjadi 2 bagian, pertama SMES itu sendiri yang dimodelkan sebagai sistem orde 1 (mitani et. al,1988), dan blok kedua adalah kendali-nya, pada kasus ini kita menggunakan lead-lag controller orde 1, struktur kendali ini bisa diganti dengan PID, Fuzzy atau yang lainnya.

Tugas kita berikutnya adalah merancang kendalinya sehingga didapat kendali yang handal, harga yang murah dan awet. Disini saya menggunakan Genetic Algorithm (GA) untuk mencari parameter kendali SMES yang optimal, dengan objective function-nya adalah 4 kondisi pada H_infinite Loop shaping. Setelah GA dijalankan dengan 100 iterasi, didapat hasil proposed SMES dibawah ini:

Untuk menguji kehandalan kendali diatas, kita bandingkan dengan konvensioal SMES pada referensi [6].
Kita lanjutkan dengan simulasi untuk melihat kehandalan masing-masing kendali baik proposed SMES, SMES [6] maupun sistem tanpa menggunakan SMES.

1. Step respon ketika beban dan daya wind power dinaikkan 0.01 pu kW

Gambar 4. Step respon wind power

Gambar 5. Step respon terhadap beban

2. Respon terhadap wind power acak

Gambar 6. Wind power secara acak

Gambar.7 Sistem respon terhadap perubahan wind power

3. Respon terhadap perubahan beban

Gambar 8. Perubahan Beban

Gambar 9. Sistem respon terhadap perubahan beban.

4. Respon terhadap perubahan beban dan wind power

Gambar. 10. Sistem respon terhadap perubahan wind dan beban

Gambar. 11. Sistem respon terhadap perubahan wind dan beban
saat parameter Kfc diturunkan 30 %

Dilihat dari hasil simulasi diatas, kita dapat simpulkan bahwa SMES dapat mengurangi fluktuasi frekuensi, dan dengan menggunakan teori robust control, kehandalan proposed SMES lebih teruji ketika sistem berubah salah satu paramternya. seperti pada gambar 11.

Referensi

-->

[1] Bhatti TS, Al-Ademi AAF, Bansal NK. Load frequency control of isolated wind diesel hybrid power systems. Energy Conv and Manag 1997; 39(9), 829-837.

[2] Bhatti TS, Al-Ademi AAF, Bansal NK. Dynamics and control of isolated wind-diesel power systems. Int J Energy Res 1995; 19, 729-740.

[3] Tripathy SC, Kalantar M, Rao ND. Dynamic and stability of a wind stand-alone power system. Energy Conv and Manag. 1993; 34, 627-640.

[4] Das D, Aditya SK, Kothari DP. Dynamics of diesel and wind turbine generators on an isolated power system. Int J Elect Power & Energy Syst 1999; 21(3), 183-189.

[5] Mitani Y, Tsuji K, Murakami Y. Application of superconducting magnetic energy storage to improve power system dynamic performance. IEEE Trans.Power Syst 1988; 3(4):1418-1425.

[6] Tripathy SC. Dynamic simulation of hybrid wind-diesel power generation system with superconducting magnetic energy storage. Energy Conv and Manag. 1997; 38(9), 919-930.

[7] Tripathy SC, Kalantar M, Balasubramanian R. Dynamic and stability of wind and diesel turbine generators with superconducting magnetic energy storage unit on an isolated power system. IEEE Trans on Energy Conv 1991, 6(4), 579-585.

[8] Skogestad S, Postlethwaite. Multivariable feedback control: analysis and design. 2^nd edition. John Wiely: 2005.

Semoga bermanfaat

Cuk Supriyadi

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

Review singkat tentang stabilitas pada power system

Terjadinya osilasi frekuensi rendah (Low frequency oscillation) merupakan masalah yang sering terjadi dipower system, masalah ini disebabkan beberapa hal diantaranya karena adanya gabungan berbagai jenis pembangkit, parameter sistem yang berubah-ubah, sistem yang tidak linear dll, selain itu seperti kita ketahui bahwa Pembangkit listrik tenaga angin (PW) yang ramah lingkungan semakin meningkat keberadaannya untuk men-supply dan tergabung dengan jaringan interkoneksi. Kecepatan angin yang berfluktuasi menyebabkan daya yang dihasilkan PW juga akan berfluktuasi sebanding dengan kecepatan angin, ini akan menambah masalah osilasi di jaringan interkoneksi.

Untuk meredam osilasi di power system, salah satu peralatan yang banyak dipakai di industri adalah Power System Stabilizer atau sering disebut PSS yang terbukti handal dan relatif murah dibanding peralatan lainnya. Contoh bentuk PSS dan instalasi PSS pada pembangkit tunggal dapat dilihat pada gambar dibawah ini :

Gambar 1. Contoh bentuk Power System Stabilizer

Gambar 2. Konfigurasi PSS pada Single Machine Connected to infinite Bus.

Dari gambar diatas, dapat dilihat bahwa PSS mengambil sinyal input dari angular velocity deviation (delta omega atau bisa juga masukan lain yang sesuai) dan kemudian mengeluarkan sinyal pendukung dengan cepat ke excitation system untuk meredam osilasi. Masalah selanjutnya adalah bagaimana mendesign kontroller pada PSS?
Beberapa pendekatan teori kendali modern seperti eigenvalue assignment (Zhou et al, 1992), linear quadratic regulator (Aldeen, et al, 1995) dll sudah berhasil diaplikasikan untuk mendesign kontroller pada PSS, namun teknik ini belum memasukkan system uncertainties dalam pemodelan power sistem saat mendesign kontroller, sehingga kehandalan dan robustness PSS terhadap system uncertainties belum bisa digaransi.
Untuk memperbaiki kekurangan design diatas, beberapa teori robust juga diaplikasikan untuk mendesign kontroller pada PSS seperti Hinfinity(chen,1995), (Yen,1997), Fuzzy logic dll. Namun metode ini juga menimbulkan masalah baru diantaranya struktur kontroller yang komplex sehingga sulit diaplikasikan dan life time yang belum teruji membuat industri power system masih bertahan untuk menggunakan kontroller konventional (PI atau Lead-lag Compensator) yang lebih mudah aplikasinya dan handal.
Dilain pihak, banyak juga peneliti yang mencoba menggunakan teknik baru untuk men-tuning parameter PSS dengan menggunakan heuristic method seperti tabu search(Abdel-magid,2001), genetic algorithm(Abdel-magid,1999), simulated annealing (Abido,2000) dll. namun masih disayangkan, dalam metode ini juga belum memasukkan system uncertainties didalam modelingnya, walau performancenya lebih baik dari metode pertama, metode ini juga belum bisa menjamin robustness kontrollernya pada beberapa kondisi tertentu.
Karena kelemahan-kelemahan metode diatas, banyak peneliti yang tertarik untuk menggabungkan metode kedua dan ketiga, sehingga dengan struktur yang simple dihasilkan kontroller yang handal, reliability yang bagus dan robustness kontroller juga terjamin. Banyaknya variasi gabungan metode kontroller, membuat peneliti lebih tertarik untuk mengembangkan metode yang paling mudah, simple dan cepat komputasinya.

Penulis sendiri tertarik untuk berkontribusi dalam mengembangkan salah satu metode tersebut, dan memasukkannya dalam penulisan master thesis S2, dan sudah menghasilkan beberapa paper internasional dan journal internasional.

Semoga bermanfaat..
Staff BPPT Jakarta Pusat


Cuk san