Sistem Eksitasi Generator Sinkron – Part III

Dalam bahasan sebelumnya, berdasarkan Standard IEEE Std 421.1; telah dijelaskan kategori pertama dalam sistem eksitasi yaitu DC Exciter. Dalam bahasan kali ini, akan sedikit diuraikan mengenail sistem eksitasi kategori kedua dan ketiga, yaitu AC Exciter an Static Exciter.

Exciter Category: AC Exciter

Exciter jenis ini lebih dikenal dengan nama Alternator-rectified Exciter; adalah suatu sistem eksitasi dimana energinya diperoleh dari generator AC (alternator) dan diubah menjadi sistem DC dengan menggunakan penyearah (rectifier).

Eksitasi jenis ini terdiri atas alternator dan rectifier, dimana keduanya dapat bertipe terkontrol, tidak terkontrol atau kombinasinya. Alternator dapat digerakkan oleh penggerak tambahan atau dipasang satu poros dengan mesin utama. Dan rectifier yang digunakan bisa didesain dalam bagian yang diam (stationary) atau bagian yang bargerak (rotating). Jenis exciter ini memiliki 4 macam varian sebagaimana ditunjukkan pada gambar 6,7, dan 8.

Gambar 6: AC Exciter tipe AC1A dan AC2A

Gambar 7: AC Exciter tipe AC3A

Gambar 8: AC Exciter tipe AC4A

Exciter Category: Static Exciter

Static Exciter  adalah jenis exciter  dimana energinya diperoleh dari keluaran generator utama dan diubah menjadi sistem DC dengan menggunakan penyearah (rectifier). Karena menggunakan tegangan keluaran generator utama, maka biasanya sistem ini dilengkapi dengan suplai tambahan yang digunakan pada saat start awal. Jenis-jenis Static Exciter ditunjukkan dalam gambar 9,10, dan 11.

Gambar 9: Static Exciter tipe ST1A

Gambar 10: Static Exciter tipe ST2A

Gambar 11: Static Exciter tipe ST3A

 
To be continued...

Paiton, 29 Mar 2015 10:48 

Sistem Eksitasi Generator Sinkron – Part II

Karena berkembang dalam kurun waktu yang cukup panjang, sistem eksitasi memiliki banyak jenis. Untuk memudahkan klasifikasinya, dalam bahasan ini akan digunakan referensi IEEE Std 421.1-2007 IEEE Standard Definition for Excitation Systems for Synchronous Machines. Secara sederhana, klasifikasinya dapat dilihat pada standard tersebut di tabel A.2; dimana dalam bahasan ini disajikan dalam gambar 2. 

Gambar 2: Kategori Sistem Eksitasi

 Exciter Category

Pada gambar 2, ditunjukkan bahwa kategori eksitasi dibagi menjadi 3, yaitu:

1. DC generator – commutator exciter
2. Alternator – rectifier exciter
3. Static – rectifier exciter

Pada bagian II ini, akan dibahas terlebih dahulu yaitu kategori pertama. 

Exciter Category: DC Exciter

Adalah jenis exciter  dimana energinya diperoleh dari sebuah generator DC. Exciter  jenis ini terdiri dari generator DC, lengkap dengan commutator  dan sikat arang (carbon brush). Generator DC tersebut dapat digerakkan oleh penggerak tambahan, namun pada umumnya dijadikan satu poros dengan mesin utama. Secara berurutan, DC Exciter memiliki 3 buah model, yaitu DC1a, DC2A dan DC3A sebagaimana ditunjukkan oleh gambar 3,4, dan 5.

Gambar 3: DC Exciter tipe DC1A

Gambar 4: DC Exciter tipe DC2A

Gambar 5: DC Exciter tipe DC3A

To be continued to Part III

Malang, 21 Mar 2015 19:17

Sistem Eksitasi Generator Sinkron – Part I

Foreword

Generator adalah mesin listrik dinamis yang berfungsi mengkonversi energi mekanis menjadi energi elektrik melalui media medan magnet. Dengan demikian, medan magnet memiliki peranan yang cukup esensial dalam proses konversi energi elektromekanis.

Untuk membangkitkan medan magnet, secara umum dapat menggunakan magnet permanen atau magnet buatan (elektro-magnet). Magnet permanen memiliki keuntungan dalam hal kepraktisan, sedangkan magnet buatan memiliki keunggulan dalam hal fleksibilitas pengaturan.

Pada bahasan ini, akan dipaparkan beberapa metode pembangkitan medan magnet dalam proses konversi energi elektromekanik, khususnya generator.

Konstruksi Generator Sinkron:

Dalam mesin listrik dinamis, komponennya dapat dibagi dalam dua bagian besar, yaitu stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Karena merupakan mesin listrik, maka pada bagian stator atau bagian rotor terdapat lilitan (winding). Lilitan stator (stator winding) sering disebut sebagai lilitan armatur (armature winding). Sedangkan untuk rotor, terdapat lilitan rotor (rotor winding) atau seringkali disebut sebagai lilitan medan (field winding) atau lilitan eksitasi (excitation winding). Secara sederhana, konstruksinya ditunjukkan dalam gambar 1.

Gambar 1: Simplifikasi Konstruksi Generator Sinkron

Sistem Eksitasi dan AVR:

Selain berfungsi sebagai penghasil media konversi energi, sistem eksitasi bersama AVR (Automatic Voltage Regulator) memiliki peranan yang penting dalam mengontrol tegangan output generator, pengaturan faktor daya, pengaturan daya reaktif, power system stabilizer PSS dan sebagainya.

Dengan semakin tinginya teknologi kontroller pada AVR dan besarnya kapasitas generator, maka desain sistem eksitasi juga semakin berkembang. Pembangkitan medan magnet diusahakan seefektif mungkin sehingga meminimalkan perawatan dan juga memiliki kehandalan yang tinggi. Pada bahasan selanjutnya akan dipaparkan beberapa topologi sistem eksitasi yang umum diterapkan di sistem pembangkit tenaga listrik, baik itu yang menggunakan magnet permanen, magnet buatan atau kombinasi keduanya.

To be continued to part II

Malang, 21 Mar 2015 18:58

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