Stabilitas Sistem Tenaga

Kestabilan sistem tenaga listrik didefinisikan sebagai kemampuan dari sistem untuk menjaga kondisi operasi yang seimbang dan kemampuan sistem tersebut untuk kembali ke kondisi operasi normal ketika terjadi gangguan. Sedangkan ketidakstabilan sistem dapat terjadi dalam berbagai bentuk, tergantung dari konfigurasi sistem dan model operasinya. Sistem akan masuk pada kondisi  ketidakstabilan tegangan ketika  terjadi gangguan, peningkatan beban atau pada saat terjadi perubahan kondisi sistem yang disebabkan oleh drop tegangan yang tidak terkontrol.

Penyebab utama ketidakstabilan tegangan adalah ketidak mampuan sistem tenaga untuk memenuhi permintaan daya reaktif.  Inti dari permasalahan ini biasanya berhubungan dengan susut tegangan yang terjadi pada saat daya aktif dan daya reaktif mengalir melalui reaktansi induktif pada jaringan transmisi. Secara mendasar masalah kestabilan berarti menjaga sinkronisasi operasi sistem tenaga. Kestabilan pada sistem tenaga listrik merupakan masalah yang sangat penting dalam penyediaan daya kepada konsumen. Masalah kestabilan yang sering terjadi disini adalah masalah beban lebih, berkurangnya pasokan daya reaktif yang pada akhirnya akan menempatkan sistem pada kondisi voltage collapse dan akan terjadi kemungkinan terburuk yaitu terjadinya blackout. Kestabilan tegangan biasanya termasuk saat terjadi gangguan besar ( termasuk kenaikan beban / transfer daya yang sangat besar ). Tegangan akan mengalami osilasi, dan terjadi ketidakstabilan sistem kontrol. Ketidakstabilan ini bisa terjadi akibat nilai gain pada statik var kompensator yang terlalu besar, atau deadband pada tegangan yang mengatur shunt capacitor bank yang terlalu kecil. Maka dibutuhkan suatu voltage security, yaitu kemampuan sistem, tidak hanya untuk beroperasi secara stabil, tetapi juga stabil saat kondisi terburuk atau saat terjadi kenaikan beban.

Stabilitas sistem tenaga telah menjadi perhatian utama dalam sebuah sistem operasi. Perhatian itu muncul dari fakta bahwa pada kondisi keadaan mantap (steady-state), kecepatan rata-rata untuk semua generator harus sama. Kondisi tersebut dinamakan pada operasi sinkron dari sebuah sistem yang terinterkoneksi. Gangguan kecil atau besar pada sistem tenaga berdampak pada operasi sinkron. Sebagai contoh, kenaikan atau ketrurunan tiba-tiba pada beban , atau akibat rugi pembangkitan menjadi salah satu jenis gangguan yang berpengaruh sangat signifikan terhadap sistem. Jenis lain dari gangguan adalah jaring transmisi yang terputus, beban lebih, atau hubung singkat. Dengan demikian diharapkan stabilitas sistem akan menuju ke keadaan mantap dalam waktu singkat setelah gangguan menghilang.

Gangguan dapat dibagi menjadi 2 kategori, yaitu gangguan kecil dan gangguan besar. Gangguan kecil merupakan satu dari elemen sistem dinamik yang dapat dianalisis menggunakan persamaan linear (analisis sinyal kecil). Gangguan kecil yang terjadi berupa perubahan beban pada sisi beban atau pembangkit secara acak, pelan, dan jatuh bertingkat. Jatuh (trip) yang dialami oleh jaring tenaga listrik dianggap sebagai gangguan kecil jika pengaruhnya terhadap aliran daya sebelum gangguan pada jaring itu tidak signifikan. Bagaimanapun juga, gangguan yang menghasilkan kejutan tiba-tiba pada tegangan bus adalah jenis gangguan besar yang harus dihilangkan secepatnya. Jika tidak dihilangkan secepatnya, gangguan itu akan sangat mempengaruhi kestabilan sistem. Tidak hanya besar gangguan, waktu gangguan juga berpengaruh terhadap kestabilan sistem.

Gangguan Terhadap Stabilitas :

Gangguan Kecil

   Merupakan satu dari elemen sistem dinamik yang dapat dianalisis menggunakan persamaan linear (Analisis sinyal kecil). Gangguan kecil yang terjadi berupa perubahan beban pada sisi beban atau pembangkit secara acak, pelan dan bertingkat. Jatuh (trip) yang dialami oleh jaring tenaga listrik dianggap sebagai gangguan kecil jika pengaruhnya terhadap aliran daya sebelum gangguan pada aliran itu tidak signifikan.        

Gangguan Besar      

   Gangguan ini bersifat mendadak, yakni gangguan yang menghasilkan kejutan tegangan tiba tiba pada tegangan bus. Gangguan besar ini harus secepatnya dihilangkan, jika tidak dihilangkan secepatnya, gangguan tersebut sangat mempengaruhi kestabilan sistem. Tidak hanya gangguan, waktu gangguan juga berpengaruh terhadap kestabilan sistem.

Meskipun kestabilan sebuah sistem dapat dilihat secara menyeluruh dan meluas, tetapi untuk tujuan analisis suatu sistem, maka

Masalah Stabilitas Dalam Sistem Tenaga Listrik

Stabilitas Steady State

   Adalah  kemampuan dari suatu sistem tenaga untuk mempertahankan sinkronisasi antara mesin mesin dalam sistem, setelah mengalami gangguan kecil. Analisis stabilitas steady-state  menggunakan pendekatan model linear. Stabilitas steady-state pada sistem tenaga dapat disebut sebagai kestabilan sinyal kecil (small signal stability). Stabilitas steady state merupakan sebuah fungsi dari kondisi operasi.

stabilitas steady state juga dapat didefinisikan sebagai kemampuan sistem tenaga listrik untuk tetap menjaga sinkronisasi diantara mesin dalam sistem dan saluran external apabila terjadi perubahan beban baik secara normal ataupun lambat. Stabilitas steady state bergantung kepada batas-batas transmisi dan kapasitas pembangkitan dan efektifitas perangkat kontrol otomatis, terutama untuk regulasi tegangan automatis (AVR) pada generator. Pernyataan diatas juga berlaku untuk kestabilan transient dan dinamik.

Apabila beban pada generator meningkat maka, rotasi rotor akan melambat, dan sebaliknya, akan semakin cepat apabila beban menurun. Pada kondisi normal, perubahan sudut rotor akan sedikit mengalami “overshoot”, yaitu akan sedikit lebih lambat atau lebih cepat. Pada kondisi stabil maka osilasi akan tetap terjadi sampai akhirnya berada pada posisi tertentu untuk kondisi beban yang baru.  Apabila rotor berada pada kondisi tetap yang hanya terjadi dalam waktu yang cepat, maka mesin dapat dikatakan dalam keadaan stabil, dan osilasi dikatakan memiliki damping yang baik.

Swing pada kondisi yang telah dijelaskan tersebut biasanya terlalu cepat untuk direspon oleh governor pada mesin. Bagaimanapun juga, sistem eksitasi generator yang cepat beraksi (eksiter dan regulasi tegangan pada generator) akan peka terhadap perubahan tegangan yang menyebabkan osilasi sudut rotor dan memperkuat atau memperlemah medan generator, sehingga mempengaruhi kecepatan mesin untuk mencapai kondisi operasi yang stabil.  Kondisi yang telah dijabarkan diatas akan selalu ada pada sistem tenaga listrik karena beban yang ada akan selalu bertambah dan ada pula yang hilang, dan semua generator yang terinterkoneksi harus selalu menyesuaikan energi input, sudut rotor, dan eksitasi agar sesuai dengan kondisi pada saat itu juga.

Stabilitas Transien

Adalah kemampuan dari suatu sistem tenaga untuk mempertahankan sinkronisasi setelah megalami gangguan besar yang bersifat mendadak selama sekitar satu “swing” (yang pertama) dengan asumsi bahwa pengatur tegangan otomatis (AVR) dan governor belum bekerja. Analisis Stabilitas transien menggunakan pendekatan model non linear. Stabilitas transien merupakan fungsi dari kondisi operasi dan gangguan.

Kestabilan transien juga dapat didefinisikan sebagai kemampuan sistem tenaga untuk mencapai kondisi stabil operasi baru yang dapat diterima setelah sistem mengalami gangguan besar. Analisis kestabilan transien menggunakan pendekatan model nonlinear. Kestabilan transien pada sistem tenaga adalah respon output yang mencapai kondisi operasi steady state yang diizinkan dan sistem yang dapat kembali ke posisi semula  pada saat sistem mengalami gangguan. Kestabilan transien merupakan fungsi dari kondisi operasi dan gangguan. Situasi yang lebih hebat akan terjadi bila pembangkitan atau beban besar hilang dari sistem atau terjadi gangguan pada saluran tranmisi. Pada kasus semacam itu stabilitas transient harus cukup kuat untuk mempertahankan diri terhadap kejutan (shock) atau perubahan beban yang relatif besar yang terjadi. Stabilitas transient adalah kemampuan  sistem untuk tetap pada kondisi sinkron (sebelum terjadi aksi dari kontrol governor) yang mengikuti gangguan pada sistem.

Setelah hilangnya pembangkitan atau beban besar secara tiba-tiba, keseimbangan antara energi input dan output elektris pada sistem akan hilang. Jika energi input tidak lagi mencukupi, inersia rotor mesin yang masih bekerja, pada periode yang singkat akan melambat. Apabila beban hilang maka energi input pada sistem akan melebihi beban elektris, dan mesin akan bergerak semakin cepat.

Bermacam-macam faktor mempengaruhi stabilitas sistem, seperti kekuatan pada jaringan transmisi didalam sistem dan saluran pada sistem yang berdekatan, karaktristik pada unit pembangkitan, termasuk inersia pada bagian yang berputar, dan properti elektris seperti reaktansi transient dan karakteristik saturasi magnetik pada besi stator dan rotor. Faktor penting lainnya adalah kecepatan dimana saluran atau perlengkapan yang terjadi gangguan dapat diputus (disconnect ) dan, dengan reclosing otomatis pada saluran transmisi, yang menentukan seberapa cepat saluran dapat beroperasi lagi. Sebagaimana pada stabilitas steady-state, kecepatan respon pada sistem eksitasi generator merupakan faktor yang penting dalam mempertahankan stabilitas transient. Gangguan pada sistem biasanya diikuti oleh perubahan tegangan yang cepat pada sistem, dan pemulihan kembali tegangan dengan cepat  menuju ke kondisi normal merupakan hal yang penting dalam mempertahankan stabilitas.

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, stabilitas transient adalah kemampuan untuk tetap pada kondisi sinkron selama periode terjadinya gangguan dan sebelum adanya reaksi dari governor. Pada umumnya ayunan pertama pada rotor mesin akan terjadi selama satu detik setelah gangguan, tetapi waktu yang sebenarnya bergantung pada karakteristik mesin dan sistem transmisi. Setelah periode ini, governor akan mulai bereaksi, biasanya sekitar 4 hingga 5 detik, dan stabilitas dinamis akan efektif.

Selama periode peralihan, tegangan terminal, sudut rotor dan frekuensi akan berubah. Besarnya tegangan kumparan medan akan dipengaruhi oleh:

1.  Arus induksi pada kumparan peredam (damper winding) selama terjadinya perubahan nilai arus pada kumparan jangkar. Konstanta waktu terjadinya arus ini berkisar antara 0.1 detik dan disebut “efek subtransient”.

2. Arus induksi pada kumparan medan selama terjadinya perubahan mendadak pada arus kumparan jangkar. Kostanta waktu untuk periode ini berkisar 2 detik dan disebut sebagai “efek transient”. 

Telaah kestabilan peralihan bertujuan untuk menentukan apakah sistem tadi akan  tetap dalam keadaan serempak setelah terjadinya gangguan berat, misalnya gangguan sistem transmisi, perubahan beban yang mendadak, terputusnya unit pembangkit, atau pemutaran saklar (switching) saluran. Telaah semacam ini telah dimulai lebih dari 50 tahun yang lalu, tetapi pada saat itu hanya terbatas pada pada pembahasan masalah dinamis yang menyangkut tidak lebih dari dua buah mesin. Sistem daya masa kini jauh lebih luas, ditambah dengan sistem interkoneksi  yang rumit dan melibatkan banyak mesin.

Masalah kestabilan peralihan menyangkut gangguan besar yang tidak lagi memungkinkan proses kelinieran, sehingga persamaan tidak linier differensial dan aljabar harus diselesaikan dengan metoda langsung atau dengan prosedur iterasi. Masalah kestabilan peralihan dapat lebih lanjut dibagi kedalam kestabilan ayunan pertama (first-swing) dan ayunan majemuk (multiswing). Kestabilan ayunan pertama didasarkan pada model generator yang cukup sederhana tanpa memasukkan sistem pengaturannya. Biasanya periode waktu yang periode waktu yang diselidiki adalah detik pertama setelah timbulnya gangguan pada sistem. Bila mesin dikatakan berada dalam kondisi serempak sebelum berakhirnya detik pertama, maka kita katakan  sistem ini stabil. Masalah kestabilan ayunan majemuk mencakup periode telaah yang lebih lama, dan karenanya harus mempertimbangkan juga pengaruh sistem pengaturan generator terhadap kinerja mesin didalam periode waktu yang cukup lama. Model – model mesin dengan perincian yang lebih tinggi harus dibuat untuk menggambarkan kinerjanya dengan tepat.

Sumber : Buku Tugas Akhir "Analisis Kontingensi Sistem Kelistrikan Sulawesi Selatan dan Barat"

Gambar di ambil dari : http://criepi.denken.or.jp/en/system/unit/01/index.html