Frequency Control - Part V

Frequency Control (mode 1): Primary Control (governor-free)

Prekondisi:

Sistem daya berada pada kondisi steady state S0, keadaan ini ditunjukkan oleh gambar 11 dengan deskripsi:

-   daya yang dibangkitkan oleh pusat pembangkit memiliki karakteristik P_{G_a}

-   daya yang dikonsumsi oleh pusat beban memiliki karakteristik P_{L_a}

-   titik kerja sistem ini ada di titik 0

-   frekuensi sistem setimbang, berada pada kondisi nominal f₀ dengan daya nominal adalah P₀

- Besaran daya yang dibangkitkan oleh pusat pembangkit P_G0 sama dengan daya yang dikonsumsi pusat beban P_L0; rugi transmisi diabaikan

Kondisi perubahan beban dan frequency control:

Pada saat beroperasi di titik 0, tiba-tiba beban mengalami kenaikan sebesar ΔP_L. Maka, sesaat kemudian frequency control akan bekerja sesuai gambar 12 (untuk step 1-3) dan gambar 13 (untuk step 4 dan seterusnya) dengan tahapan komplit sebagai berikut. 

1. Sistem bekerja steady state di titik 0. Setpoint daya pembangkitan adalah P_G0 dan sistem bekerja di frekuensi f₀

2. Beban elektrik mengalami kenaikan sebesar ΔP_L

3. Dengan demikian karakteristik beban berubah menjadi P_{L_b}; sedangkan karakteristik daya pembangkitan tetap P_{G_a}

4. Terjadi ketidak-seimbangan daya (power mismatch); dimana beban listrik sebesar P₂ sedangkan daya pembangkitan sebesar P₀

5. Power mismatch sebesar ΔP_L ini akan direspon (metode kompensasi) oleh sistem melalui dua aksi; yaitu:

a. Turbine menaikkan suplai daya P_M (yang artinya daya keluaran pembangkit P_G juga akan mengalami kenaikan sebesar ΔP_G). Besarnya ΔP_G adalah sesuai prosentase speed-droop dan nominal power

b. Beban yang sensitive terhadap frekuensi akan mengurangi konsumsinya sebesar ΔP_D.

6. Daya akumulasi dari 5a dan 5b menyebabkan sistem beroperasi di titik kerja baru yaitu titik 1

7. Sistem bekerja steady state dengan frekuensi f₁, daya terbangkit sebesar P₁ dan daya beban sebesar sebesar P₂. Artinya, daya yang dibangkitkan sebanding dengan daya beban (P₂); namun frekuensi baru mengalami deviasi sebesar Δf_ss.

Kita tahu bahwa hingga step 7; turbin governor melakukan aksi frequency control sementara setpoint daya pembangkitan masih konstan di P_G0. Manuver turbin governor untuk melakukan aksi frequency control dimana setpoint daya pembangkitan dipertahankan konstan disebut Primary Control.

8. Untuk mencapai posisi kerja yang benar (posisi 2: daya sebesar P₂ dan f₀); maka dibutuhkan aksi tambahan yang akan dibahas di part 6.

Contoh kasus:

Suatu sistem daya dengan daya terpasang 1500MW dibebani sebesar 1250MW dan speed droop 5%. Jika sistem berada pada keadaan steady state 50Hz dan kemudian beban sebesar 100MW trip, tentukan frekuensi steady state yang baru jika load damping sebesar 1.5.

Solusi:

Beban awal P₀ = 1250MW

Spinning reserve : 250MW

Daya baru P₁ = 1250-100=1150MW

·      Konstanta damping load:

D = (1.5/100 * 1150) *(100/50) = 34.5 MW/Hz

·      Komponen regulasi (droop 5%)

1/R = 1150 : (5/100 * 50) = 460 MW/Hz

·      Stiffness

β=1/R + D = 460 + 34.5 = 494.5 MW/Hz

·      Kenaikan frekuensi steady state

Δf_ss = -P_L/ (β) = - (-100)/494.5 = 0.202 Hz

 to be continued to part VI

Malang, 20 Jan 2015 15:31

Frequency Control - Part IV

Karakteristik governor: Isochronous vs Speed droop

Isochronous Governor:

Governor dengan karakteristik Isochronous berarti bekerja pada mode constant speed. Secara skematik, mode ini ditunjukkan oleh gambar 6 dan responnya ditunjukkan dalam gambar 7. Jika ada rotor speed (kecepatan rotor yang juga merepresentasikan frekuensi aktual) ωr berbeda dengan speed refference ω0, maka aka timbul error speed (speed deviation) sebesar Δωr. Sinyal error tersebut akan dikuatkan sebesar K dan diintegrasikan untuk menghasilkan sinyal kontrol ΔY; untuk nantinya digunakan untuk input aktuator sistem suplai fluida. Karena menggunakan integrator type controller, aksi pengontrolan akan selesai apabila sudah dicapai nilai steady state yang baru; atau dengan kata lain Δωr = 0. Mode ini hanya cocok digunakan dalam kasus single generator, lebih lanjut baca Link.

Pada gambar 7, dapat dijelaskan sebagai berikut. Jika beban listrik (Pe) mengalami kenaikan, maka frekuensi sistem akan turun; dimana hal ini akan terlihat jelas pada penurunan rotor speed ωr. Dengan adanya sinyal error Δωr, maka suplai fluida kerja akan dinaikkan sehingga daya mekanik (Pm) naik. Penambahan daya mekanik akan menurunkan laju deselerasi dan mengembalikan rotor speed ke nilai awalnya ω0.

Speed Droop:

Karakteristik ini digunakan untuk mengatasi kelemahan mode isochronous, sehingga mode ini sangat aplikatif di sistem grid. Skema pengontrolannya ditunjukkan dalam gambar 8. Skema ini hampir mirip dengan pengontrolan Isochronous dengan penambahan proportional gain 1/R. Gambar 9 menunjukkan respon dari mode speed droop. Tidak seperti Isochronous, speed droop memiliki error steady state. Untuk mengembalikan frekuensi ke nilai nominalnya, maka diperlukan step tambahan. Hal ini akan dibahas dalam bagian 5.

Droop:

Droop didefinisikan sebagai prosentase deviasi kecepatan atau deviasi frekuensi terhadap perubahan posisi control valve atau daya keluaran.

Droop 5% berarti:

Jika terjadi deviasi frekuensi sebesar 5%, maka akan terjadi perubahan daya keluaran sebesar 100%.

Karakteristik regulasi frekuensi dalam sistem daya:

Sebagaimana diketahui, apabila sistem daya berada pada kondisi steady state dan kemudian terjadi perubahan beban, misal penambahan beban; maka akan terjadi deviasi frekuensi yang dalam ini penurunan frekuensi sistem. Besarnya deviasi ini tentu saja ditentukan oleh besarnya perubahan beban dan juga variable-variabel dalam sistem daya tersebut. Dalam konteks ini, variable-variabel ersebut berfungsi untuk ‘memperkecil’ besarnya deviasi frekuensi; secara kasar dapat disebut sebagai variable damping, yaitu terdiri dari inersia sistem pembangkit M dan damping factor beban D. Semakin besar inersia dan damping factor, untuk perubahan beban yang sama; maka deviasi frekuensinya semakin kecil. Dalam sistem yang luas, keadaan ini ditunjukkan pada gambar 10.

Di sisi lain, karakteristik power/frequency pada keseluruhan sistem bergantung pada nilai speed-droop dari tiap unit pembangkit dan damping factor pada beban D; hal ini dituliskan secara sistematis pada persamaan di bawah. Hal ini menjelaskan rangkaian kejadian sebagai berikut 

• suatu sistem yang terdiri dari n buah pembangkit; dengan nominal daya dan speed-droop yang berbeda
• damping factor beban secara keseluruhan sebesar D
• sistem mengalami perubahan beban sebesar ΔP_L
• maka deviasi frekuensinya sebesar Δf_ss

Dari persamaan di atas, muncul istilah baru yang disebut dengan composite frequency response characteristic atau yang lebih dikenal dengan stiffness β, dengan satuan MW/Hz. 

Adalah istilah paling umum untuk menyatakan berapa perunahan MW yang dibutuhkan untuk mengubah frekuensi sebesar 1 Hz. Jika suatu sistem 50Hz memiliki stiffness sebesar 400MW/Hz; jika beban turun sebesar 400MW, maka frekuensi sistem akan naik menjadi 51Hz.

To be continued to part V

Malang, Nov 2nd 2014 12:56

Frequency Control - Part III

Dasar-dasar Speed Governing System

Dari bagian 1 dan 2, kita telah mempelajari latar belakang perlunya frequency control. Dalam bagian ini, akan dibahas sedikit mendetail tentang bagaimana peranan Governor dalam mengontrol frekuensi atau istilahnya Speed Governing System. Diagram Speed Governing System ditunjukkan dalam gambar 5.

Respon Generator terhadap perubahan beban elektrik

Pada keadaan setimbang, daya mekanik turbin P_m sama dengan daya elektrik P_e (P_m = P_e). Apabila diekspresikan dalam persamaan torsi, maka T_m = T_e. Apabila beban listrik P_L berubah, dengan mengabaikan rugi transmisi, maka daya elektrik P_e juga akan berubah. Dengan kata lain, torsi elektrik Te berubah sedangkan torsi mekanik T_m tetap. Adanya selisih antara torsi mekanik dan torsi elektrik disebut dengan torsi akselerasi T_a, suatu parameter yang akan menyebabkan terjadinya variasi kecepatan.

Dari sudut pandang ini, daya mekanik turbin hanya tergantung pada posisi governor saja, tidak tergantung pada frekuensi.

Respon beban elektrik terhadap perubahan frekuensi

Dalam tulisan terdahulu, telah disinggung tentang beban komposit. Dalam sistem daya elektrik, beberapa beban seperti pemanas dan lampu adalah contoh beban yang tidak tergantung frekuensi. Namun, motor elektrik adalah salah satu beban yang terpengaruh oleh frekuensi. Persamaan berikut menunjukkan frequency-dependent characteristic dari beban komposit: 

 

Dengan D adalah posentase perubahan beban terhadap 1% perubahan frekuensi. D = 3 berarti perubahan 1% frekuensi akan diikuti oleg perubahan 3% beban.

Tanpa adanya speed governor, perubahan beban terhadap sistem daya elektrik hanya dipengaruhi oleh konstanta inersia dan konstanta damping. Adanya deviasi kecepatan akan menimbulkan deviasi beban diakibatkan beban-beban yang tergantung dengan frekuensi.

To be continued to part IV

Malang, Nov 2nd 2014 12:52