Transformator dalam Bidang Pembangkitan – Part I

 

Foreword

Transformator atau sering disebut sebagai trafo didefinisikan sebagai mesin elektrik statis, yang berfungsi mentransfer energi listrik dari satu sisi (primer) ke sisi yang lain (sekunder) pada frekuensi tetap melalui perantara sirkuit magnetik. Penemuan listrik AC dan trafo telah merevolusi sistem ketenagalistrikan dengan sangat signifikan. Energi listrik dapat dibangkitkan di tempat yang jauh dari pusat beban, namun dengan rugi transmisi yang cukup rendah.

Penggunaan trafo telah tersebar luas dalam bidang:

-       Sistem daya

-       Instrumentasi / pengukuran

-       Elektronika

Dalam sistem daya, trafo berperan penting dalam proses transformasi level tegangan. Baik itu dalam pembangkitan, transmisi maupun distribusi. Dikarenakan mayoritas dalam sistem daya menggunakan sistem kelistrikan 3 phasa, maka bahasan kali ini hanya akan melingkupi trafo daya 3 phasa.

Reminder:

Trafo 3 phasa pada dasarnya terdiri dari 3 buah belitan 1 phasa, dikoneksikn menjdi sistem 3 phase dengan hubungan star atau delta sebagimana ditunjukkan dalam gambar 1.

Gambar 1. Koneksi Trafo 3 Phase (Delta dan Star)

Pergeseran Sudut Phasa

Sebagaimana didefinisikan di awal, trafo mentransfer daya elektrik dari satu sisi ke sisi lain dengan frekuensi tetap. Level tegangan akan bergantung kepada jumlah lilitan di sisi primer dan sisi sekunder. Namun, dengan koneksi yang berbeda akan menghasilkan pergeseran sudut phasa antara sisi primer dan sekunder, seperti ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2. Pergeseran Sudut Phase (primer = hijau, sekunder = merah)

Pergeseran sudut phasa tentu saja tidak menimbulkan ‘masalah’ yang berarti pada instalasi sederhana. Namun, pada sistem interkoneksi seperti pada power plant, hal ini memerlukan perhatian dan pemilihan koneksi yang tepat.

Apa saja jenis trafo di power plant?  Bagaimana trafo-trafo tersebut dikoneksikan? Apa keuntungan sistem koneksi tersebut? Hal ini akan dibahas dalam chapter selanjutnya.

Paiton, 24 October 2017 20:29

References:

https://www.emetor.com/blog/post/delta-or-star-connection-machine-windings/

http://math.tutorvista.com/trigonometry/phase-shift.html

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

Frequency Control Part – 7

Frequency Control (mode 3): Tertiary Control

Tertiary Control adalah mode frequency control dengan respon yang lebih lambat daripada primary dan secondary control. Tugas dari Tertiary Control sangat berkaitan dengan strktur organisasi dispatcher dan juga peranan pembangkit tersebut di dalam sistem daya (grid). Tergantung pada hierarki sistem, Tertiary Control akan bekerja sebagai berikut:

·   Operator dispatcher akan mengeset setpoint daya di setiap pembangkit berdasarkan economic dispatch

·   Penggunaan economic dispatch (OPF, optimal power flow) akan meminimalkan biaya pengoperasian sistem daya

·   Frekuensi sistem dapat terjaga di nilai operasionalnya, namun di lain pihak, sistem daya dapat dioperasikan secara lebih ekonomis

Sebagaimana kita tahu, energy market saat ini cenderung pada liberalisasi dan privatisasi tanpa dikontrol oleh dispatcher. Namun di sisi lain, dispatcher harus meyakinkan bahwa sistem daya akan beroperasi secara memuaskan; bak itu dalam aspek teknis maupun ekonomi. Untuk itu, dispatcher akan melakukan power bidding yang dapat dilakukan dalam satu periode untuk menentukan setpoint daya di setiap pembangkit, dengan mempertimbangkan kesiapa tenis pembangkit dan saluran transmisi serta aspek biaya yang ekonomis.

Selain itu, tanggung jawab Tertiary Control dalam frequency control  adalah sebagai supervisory untuk Secondary Control, apakah telah berjalan baik di suatu area atau tidak. Jika Secondary Control belum dapat melakukan tugasnya dengan baik, maka Tertiary Control harus dapat menginstruksikan manuver daya; misalkan menambah pembangkit berbasis gas (yang memiliki respon daya tinggi) untuk sinkron/de-sinkron ke dalam sistem daya. Diagram kerjanya ditunjukkan oleh gambar 17 berikut.

Sebagai rangkuman topik panjang ini, maka akan disampaikan dalam part 8 tentang 4 stages dalam frequency control. 

To be continued...

Malang, 25 Jan 2015 14:55.