Turbine Governing System – Part II

Pada bagian 1 telah disinggung mengenai governor bertipe  Mechanical-Hydraulic. Seiring dengan berkembangnya dunia elektronik, maka peranannya telah digantikan dengan tipe Electro-Hydraulic. Pada awalnya, Analog Electro-Hydraulic cukup populer. Namun, saat ini telah digantikan oleh Digital Electro-Hydraulic atau yang lebih dikenal dengan istilah DEH.

Secara fungsi, tidak ada perbedaan antara governor beripe Mechanical-Hydraulic dan Electro-Hydraulic. Namun, tipe yang kedua memiliki beberapa keunggulan seperti lebih mudah dalam proses tuning, presisi dan respon yang lebih cepat serta beberapa keunggulan lain.

Electro-Hydraulic Governing System:

Pada Governor bertipe Electro-Hydraulic, pengukuran kecepatan turbin dilakukan dengan menggunakan magnet permanen yang terpasang pada shaft  turbin atau dengan shaft gear. Sinyal tersebut akan difilter secara elektrik untuk kemudian dilakukan pengolahan sinyal  sehingga kecepatan turbin akan diukur dengan lebih presisi. Besaran-besaran lain seperti frekuensi jaringan, besar daya keluaran generator serta beberapa parameter fluida kerja (temperatur, tekanan dan flow) adalah beberapa data yang diperlukan oleh Governing System untuk melakukan aksi kontrol. Pengukuran besaran-besaran tersebut biasanya dilakukan oleh lebih dari 1 alat untuk menjamin bahwa data yang terukur adalah benar. Secara sederhana, aplikasi dalam turbin uap ditunjukkan oleh gambar 2.

Gambar 2. Simplifikasi Diagram Electro-Hydraulic Governing System

Data-data lain (setpoint, parameter turbin dan governor) diolah oleh kontroler untuk menghasilkan sinyal kontrol. Karena masih berupa sinyal digital, maka sinyal tersebut diubah menjadi sinyal analog melalui DAC (Digital-to-Analogue Converter). Untuk menggerakkan valve yang menyuplai fluida ke turbin, karena besarnya ukuran valve, maka sinyal kontrol analog tersebut ditransfer dalam bentuk energi hidrolik (melalui E/H Electro-Hydraulic Converter). Pada pembangkit semisal PLTA, transfer energi dapat dilakukan lebih dari satu kali (cascade system) karena besarnya energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan valve.

Sebagai umpan balik, maka posisi valve (serta kecepatan turbin dan semacamnya) akan dievaluasi oleh kontroler. Apabila masih terjadi deviasi, kontroller akan melakukan aksinya kembali (closed-loop). Untuk menjaga keamanan operasi, maka operasi dari sistem governor dibatasi oleh beberapa parameter misalkan kecepatan, besarnya daya keluaran, temperatur, tekanan dan beberapa parameter lain.

To be continued...

Malang, 14 Feb 2016 10:54 

Turbine Governing System – Part I

Foreword

Beberapa waktu yang lalu , telah disinggung sedikit masalah governor pada link. Pada bagian ini, akan dipaparkan bagaimana prinsip kerja dari sebuah governor serta aplikasinya dalam sistem pembangkitan.

Pada sebuah sistem pembangkitan tenaga listrik, sebuah generator sinkron pada umumnya digerakkan oleh turbin; baik itu turbin uap, turbin gas atau water turbine. Agar turbin dapat bekerja dengan baik, dalam artian dapat melakukan starting-up, rolling-up, sinkronisasi, speed/load control, overspeed control dan emergency stop, maka turbin memerlukan sebuah peralatan (complete set) yang disebut Turbine Governing System.

Mechanical Governing System:

Pada awal perkembangannya, Turbine Governing System bertipe Mechanical-Hydraulic sangatlah populer. Namun, seiring dengan perkembangan teknologi elektronik, pada saat ini sudah mengalami pergeseran. Electro-hydraulic telah menjadi primadona dalam Turbine Governing System. Hal ini disebabkan karena kemudahan ketika melakukan tuning serta aksi kontrol yang lebih presisi dan cepat.

Namun, untuk memahami dasar-dasar Turbine Governing System, maka akan dipaparkan dulu mengenai governor bertipe Mechanical-Hydraulic. Governor ini menggunakan prinsip Mekanisme Sentrifugal Watt. Secara sederhana, mekanisme tersebut ditunjukkan pada gambar 1.

Gambar 1. Mechanical-Hydraulic Governing System pada Turbin Uap

Pada governor tipe ini, governor mengukur kecepatan turbin melalui speed measurement device. Ketinggian spring-loaded weight akan mengindikasikan besarnya kecepatan turbin. Pada saat torsi mekanik turbin sama dengan torsi elektromagnetik generator, maka kecepatan rotasional turbin-generator akan konstan. Hal ini akan menyebabkan posisi spring-loaded weight akan tetap.

Apabila beban listrik naik, maka torsi elektromagnetik juga akan naik. Karena torsi mekanik turbin cenderung konstan, maka kecepatan rotasional turbin akan turun. Hal ini akan menyebabkan titik A pada governor floating lever  bergerak naik. Karena A-B-C berada pada satu lengan, maka naiknya posisi titik A juga mengakibatkan naiknya posisi titik B.

Naiknya posisi titik B berakibat pada bertambahnya bukaan pilot valve yang menuju servo-motor. Perbedaan tekanan pada piston di dalam servo-motor  menyebabkan bertambahnya bukaan steam-valve ke arah turbin yang artinya menambah suplai uap.

Pergerakan piston di dalam servo-motor juga akan menyebabkan pergerakan titik D-E-I dan H ke arah bawah. Pergerakan ini akan diikuti oleh pergerkan speeder-gear  di titik G. Karena lengan A-B-C terkoneksi dengan ­speeder-gear di titik C, maka pergerakan speeder-gear akan mengurangi suplai oli melalui pilot valve.

Dari penjelasan di atas dapat dikatakan bahwa governor tipe ini memiliki dua feedback  yaitu:

-   Speed feedback          : dari Speed measuring device

-   Valve position             : dari steam valve, pilot valve  dan titik D-E-I-H-C

Ada dua fungsi yang terdapat pada speeder gear, yaitu:

1.   Mengontrol kecepatan generator saat belum sinkron

2.   Mengontrol beban generator ketika sudah sinkron

Kelemahan utama dari governor bertipe Sentrifugal Watt adalah adanya deadband  yang cukup lebar dan akurasi yang tidak begitu bagus. Siring berlangsungnya penggunaan, deadban-nya akan semakin lebar disebabkan oleh ausnya peralatan mekanik pada sistem tersebut. Untuk mengatasi masalah-masalah diatas, maka Electro-Hydraulic Governor akan dijelaskan dalam postingan berikutnya.

To be continued....

Paiton, 3 Feb 2016 19.00 

Frequency Control Part – 8 (end)

Respon Dinamis pada Frequency Control

Jika terjadi gangguan ketidakseimbangan frekuensi (frequency imbalance), misal trip nya suatu pembangkit, maka respon dinamis suatu sistem dibagi menjadi 4 stages, yaitu:

·      Stage I       : Rotor swing pada generator

·      Stage II      : Frequency drop

·      Stage III     : Primary control oleh turbine governing system

·      Stage IV    : Secondary control oleh central regulator

Stage I        : Rotor swing pada generator

-     Suatu sistem daya ekuivalen dengan daya P_s dan impedansi X_s, terkoneksi dengan 2 pembangkit identik sebagaimana ditunjukkan dalam gambar 18a; parameter pembangkit 1 dan pembangkit 2 adalah sama sehingga secara elektrik bisa diekuivalenkan dalam gambar 18b.

-     Kondisi di atas direpresentasikan secara grafik dalam gambar 19, yaitu daya mekanik total kedua pembangkit sebesar P_m- dan kaakteristik daya P_-(δ’). Pada kondisi ini, sistem bekerja steady state pada titik 1.

-     Tiba-tiba terjadi gangguan yang mengakibatkan pembangkit 2 mengalami trip, sehingga daya mekanik total berubah menjadi P_m+ dan karakteristik daya menjadi P₊(δ’) dengan perpotongan karakteristik di titik 4. Hilangnya daya ditunjukkan sebesar ΔP₀.

-     Sudut rotor δ tidak dapat berubah seketika, menyebabkan generator 1 bekerja di titik 2. Luasan 2-2’-4 merepresentasikan deselerasi daya, yang membuat kecepatan turbin pada pembangkit daya 1 turun.

-     Adanya momentum menyebabkan pergerakan sudut rotor δ berhenti di titik 3. Luasan 4-3-3’ adalah sama dengan luasan 2-2’-4.

-     Adanya damping pada pembangkit 1 menyebabkan rotor bekerja steady state di posisi 4

-     Kondisi akselerasi-deselerasi rotor karena tripnya pembangkit lain dalam bahasan di atas disebut rotor swing, terjadi dalam order yang sangat singkat. Deviasi besaran sudut rotor dan daya ditunjukkan dalam gambar 20.

Stage II       : Frequency drop

-     Kondisi pada gambar 20 menyebabkan deselerasi kecepatan rotor di semua pembangkit, dikenal sebagai frequency drop

-     Gambar 21 menunjukkan sebuah contoh sistem daya dengan 3 pemangkit, dimana pembangkit 2 mengalami trip. Pembangkit 1 mengalami rotor swing, dan pada suatu saat pembangkit 1 dan 3 mengalami frequency drop.

Stage III      : Primary Control

Stage III pada kasus ini menjelaskan bagaimana respon pembangkit dan beban terhadap tripnya sebuah pembangkit. Kondisi tripnya sebuah pembangkit dan akibatnya terhadap sistem ditunjukkan dalam bidang (f,P) pada gambar 22.

-     Pembangkit bekerja steady state di titik 1

-     Tripnya sebuah pembangkit menyebabkan perubahan karakteristik pembangkitan dari P_T- ke P_T+ dan daya beban P_L.

-     Saat sebuah pembangkit trip, pada kondisi yang singkat, frekuensi sistem akan masih konstan namun titik operasi bergeser ke titik 2

-     Sistem akan berusaha menuju titik kesetimbangan baru yaitu titik III yang merupakan perpotongan karakteristik P_T+ dan P_L.

-     Untuk mencapai titik III tidaklah mudah, sistem harus mengalami deviasi frekuensi sebagaimana dijelaskan pada stage I dan stage II.

-     Untuk mencapai titik III, karena kecepatan respon turbine governing system, maka titik operasi harus melalui titik 1-2-3; di mana titik 3 merupakan titik kesetimbangan antara daya pembangkitan dan daya beban. Dengan kata lain, titik 3 merupakan minimum lokal untuk grafik f(t).

-     Aksi turbine governing system mulai daat dirasakan dengan bergeraknya titik operasi dari titik asal 3 ke tujuan yaitu titik III. Namun karena inersia sistem mekanik, maka terjadi kelebihan suplai daya pembangkitan yang menyebabkan sistem bekerja di titik 4. Jadi, lokasi perjalanan sistem menjadi 1-2-3-4.

-     Kondisi ayunan ini akan berlangsung terus menerus hingga dicapai titik steady state baru yaitu posisi III.

-     Trayektori posisi menjadi fungsi daya dan frekuensi terhadap waktu ditunjukkan pada gambar 22 b dan c.

Beberapa hal yang perlu diperhatikan pada stage III adalah:

-     Ketersediaan spinning reserve

-     Jika ketersediaan spinning reserve  maka akan menimbulkan frequency collapse

-     Untuk menghindari dampak buruk frequency collapse maka diterapkan UFL underfrequency load shedding.

Stage IV     : Secondary control

-     Sebagaimana disebutkan dalam stage III, sistem berada di kondisi steady state di titik III; namun titik operasi nominal adalah titik IV (atau titik 1).

-     Untuk mencapai titik 1, maka frequency control akan mengaktifkan Secondary Control (AGC), berdasarkan simpangan frekuensi Δf_III.

-     Meskipun deviasi frekuensi Δf_III cukup kecil, namun central regulator akan melakukan manuver dalam tempo yang cukup lama. Pemotongan trayektori P dan f pada gambar 23 merepresentasikan waktu yang cukup lama untuk memindahkan titik operasi dari III menjadi IV (1).

-     Kondisi dinamis di stage IV sebetulnya sangat tergantung pada karakteristik setting AGC yang dilakukan central regulator. AGC biasanya menggunakan PI (proportional-integral) controller.

-     Integral time pada I controller dan koefisien pada P controller harus dipilih secara cermat agar dihasilkan aksi pengontrolan yang halus. Biasanya, pada permulaan pengontrolan digunakan integral time  yang pendek agar dihasilkan aksi pengontrolan yang cepat. Namun hal ini harus dikompensasi dengan menurunkan koefisien pada P controller.

-     Pemilihan Integral time dan koefisien pada PI controller yang tidak tepat akan menyebabkan overdamping, yang berarti sistem akan berosilasi. Hal ini ditunjukkan pada gambar 24.

-      Sistem kembali pada titik operasi sebagaimana semula setelah melalui 1-2-3-4-III-IV(1).

Demikian uraian untuk topik Frequency Control. Semoga bermanfaat. Aamiin.

Malang, 25 Jan 2015 15.01.

Reff:

• Power System Dynamic: Stability and Control. Second Edition. Jan Macowski, Janusz W. Bialek, James R. Bumby.  John Wiley & Sons. 2008.
• Power System Stability and Control. P. Kundur. McGraw Hill.
• Pengaturan Operasi Sistem. Hendrawan S. P3B Kantor Induk. 2013