Power System
Pengantar Sistem tenaga listrik dibangun guna menyalurkan kebutuhan energi listrik kepada pengguna akhir. Paparan mengenai sistem tenaga listrik ini akan diberikan secara serial. Pokok bahasan hanya menyangkut teknik kelistrikan saja, mulai dari mesin pembangkit listrik ke arah pengguna akhir. Instalasi konversi energi sebelum mesin pembangkit listrik yang berperan mengubah energi primer, tidak termasuk dalam pembahasan.
Analisis Sistem Tenaga #1 Sudaryatno Sudirham
Isi Pelajaran #1 Pendahuluan Pernyataan Besaran Listrik Sistem Tiga Fasa Seimbang Sistem Per Unit Komponen Simetris
Pendahuluan
Pendahuluan Sistem Tenaga Listrik bertugas Struktur Instalasi Sistem Tenaga Listrik bertugas memasok energi listrik sesuai dengan kebutuhan pengguna akhir TRANSFORMATOR BOILER TURBIN GENERATOR GARDU DISTRIBUSI Sistem Proteksi dan Koordinasi Isolasi Transmisi Penggerak awal Generator Distribusi Beban Tansformator Struktur Instalasi:
Reliability Pendahuluan Reliability terkait dengan ketiadaan pasokan secara total atau tegangan secara total Reliability dinyatakan dengan indeks yang dihitung per tahun dengan memasukkan faktor-faktor jumlah pelanggan, beban terpasang, durasi ketiadaan pasokan, jumlah daya (kVA) yang terputus, serta seringnya daya terputus. SAIFI (System Average Interruption Frequency Index) SAIDI (System Average Interruption Duration Index) CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index) MAIFI (Momentary Average Interruption Frequency Index)
Kriteria Kualitas Listrik Pendahuluan Kriteria Kualitas Listrik Kriteria Kualitas Listrik Tegangan konstan Frekuensi konstan Bentuk gelombang sinus Pada pembebanan yang selalu berubah, deviasi tegangan tidak boleh melebihi batas tertentu. Demikian pula halnya dengan frekuensi. Selain deviasi frekuensi tidak melebihi batas tertentu, total durasi deviasi frekuensi juga tidak melebihi batas tertentu, misalnya tidak lebih dari 2 detik dalam 24 jam Bentuk gelombang tegangan dan arus sedapat mungkin mendekati bentuk sinus murni. Kandungan harmonisa tidak melebihi batas tertentu Total Harmonic Distortion (THD)
Permasalahan Kualitas Daya Pendahuluan Permasalahan Kualitas Daya Permasalahan Kualitas Daya Perkembangan teknologi menghasilkan peralatan-peralatan sensitif yang menuntut pasokan daya dengan kualitas lebih baik. Permasalahan kualitas daya kemudian mencakup: Power Surges Voltage Sag Undervoltage Brownouts Blackouts Transients / Interruptions High-Voltage Spikes Frequency Variation Electrical Line Noise Harmonics
Pembangkitan Energi Listrik Pendahuluan Pembangkitan Energi Listrik Pembangkitan Energi Listrik Macam-macam Sumber Energi Primer Thermal: Batubara Minyak Gas Surya (konsentrator) Geothermal Biomassa Nuklir (Fisi dan Fusi) Nonthermal: Hidro Pasang-Surut Bayu Gelombang Laut Surya (semikonduktor)
Produksi Energi Listrik Pendahuluan Produksi Energi Listrik Produksi Energi Listrik Beberapa industri memproduksi listrik untuk keperluan sendiri dan lokal PLN memproduksi listrik untuk keperluan nasional. Kita akan melihat sistem tenaga listrik mengacu pada sistem PLN Sampai saat ini PLN memproduksi listrik dengan memanfaatkan sumber energi primer Batubara Minyak Gas Alam Air (Hidro) Geothermal Sumber energi alternatif telah pula mulai dikembangkan dan dimanfaatkan
Pendahuluan Produksi PLN s/d 2005 Produksi Sumber: Statistik PLN
Pendahuluan Produksi Total PLN Produksi total PLN terdiri dari produksi sendiri dan pembelian energi dari pihak lain Pertumbuhan Produksi Prod Sendiri Energi Beli Tahun Total GWh GWh tumbuh % 1998 77,903 74,421 3,482 1999 84,775 80,023 7.5 4,752 36.5 2000 93,326 83,504 4.3 9,822 106.7 2001 101,654 87,635 4.9 14,019 42.7 2002 108,361 88,069 0.5 20,292 44.7 2003 112,972 90,166 2.4 22,806 12.4 2004 120,244 93,113 3.3 27,132 19.0 2005 127,370 98,177 5.4 29,193 7.6 Sumber: Statistik PLN
Pendahuluan Komposisi Produksi Sumber: Statistik PLN
Komposisi Energi Primer Pendahuluan Komposisi Energi Primer Sumber: Statistik PLN
Cadangan Sumber Energi Primer Indonesia
Cadangan Batubara Pendahuluan
Pendahuluan Cadangan Gas Bumi
Pendahuluan Cadangan Minyak Bumi
Pendahuluan Lokasi Panas Bumi
Beban Pendahuluan Pelanggan PLN dikelompokkan menjadi 4 kelompok: Rumah Tangga, Industri, Bisnis, dan Lainnya Sumber: Statistik PLN Pelanggan RT 93% dari total
Pendahuluan Energi Terjual [GWh]: Tahun Plg RT Plg Industri Plg Bisnis Plg Lainnya 1996 19,550.80 27,948.90 6,225.70 3,206.60 1997 22,739.30 30,768.90 7,249.60 3,553.70 1998 24,866.50 27,984.80 8,666.70 3,743.40 1999 26,883.90 31,338.10 9,330.00 3,780.10 2000 30,563.40 34,013.20 10,576.00 4,012.20 2001 33,340.00 35,593.00 11,395.00 4,192.00 2002 33,993.60 36,831.30 11,845.00 4,418.80 2003 35,753.05 36,497.25 13,223.84 4,966.81 2004 38,588.28 40,324.26 15,257.73 5,927.20 2005 41,188.00 42,453.00 17,018.00 6,374.00 Sumber: Statistik PLN Total konsumsi RT berimbang dengan Industri
Pernyataan Besaran Listrik Pendahuluan Pernyataan Besaran Listrik
Analisis Sistem Tenaga Pernyataan Besaran Listrik Analisis Sistem Tenaga Analisis Sistem Tenaga Analisis sistem tenaga pada umumnya dilakukan dengan menyatakan bentuk galombang sinus dalam fasor yang merupakan besaran kompleks. Dengan menyatakan tegangan dan arus dalam fasor maka pernyataan elemen-elemen rangkaian sistem tenaga menjadi impedansi yaitu perbandingan fasor tegangan dan fasor arus fasor tegangan impedansi fasor arus
Resistor, Induktor, Kapasitor Pernyataan Besaran Listrik Resistor, Induktor, Kapasitor Resistor : Induktor : Kapasitor : Perhatikan: relasi-relasi ini adalah relasi linier. Dengan bekerja di kawasan fasor kita terhindar dari perhitungan integro-diferensial.
Tentang Fasor dan Impedansi Pernyataan Besaran Listrik Tentang Fasor dan Impedansi Perhatian : Walaupun impedansi merupakan pernyataan yang berbentuk kompleks, akan tetapi impedansi bukanlah fasor. Impedansi dan fasor merupakan dua pengertian dari dua konsep yang berbeda. Fasor adalah pernyataan dari sinyal sinus Impedansi adalah pernyataan elemen.
Daya Pernyataan Besaran Listrik Karena tegangan dan arus dinyatakan dalam fasor yang merupakan bilangan kompleks maka daya yang merupakan perkalian tegangan dan arus juga merupakan bilangan kompleks
Tegangan, arus, dan daya di kawasan waktu: Pernyataan Besaran Listrik Daya Kompleks Tegangan, arus, dan daya di kawasan waktu: Tegangan, arus, di kawasan fasor: besaran kompleks Daya Kompleks : Re Im didefinisikan sebagai jQ P Segitiga daya
Faktor Daya & Segitiga Daya Pernyataan Besaran Listrik Faktor Daya & Segitiga Daya Faktor Daya dan Segitiga Daya: (lagging) Re Im jQ P Re Im Faktor daya lagging jQ P Re Im Faktor daya leading V (leading) Re Im
Daya Kompleks dan Impedansi Beban Pernyataan Besaran Listrik Daya Kompleks dan Impedansi Beban Daya Kompleks dan Impedansi Beban Daya nyata Daya reaktif
Sistem Tiga Fasa Seimbang
Diagram Fasor sumber tiga Fasa Sistem Tiga Fasa Seimbang Diagram Fasor sumber tiga Fasa Diagram fasor sumber tiga fasa Diagram fasor tegangan 120o Im Re B A C N VAN VBN VCN + + Sumber terhubung Y Keadaan Seimbang
Sistem Tiga Fasa Seimbang Beban Terhubung Y Beban Terhubung Y, Vff N A B C Z = R + j X
Beban Terhubung Segitiga Sistem Tiga Fasa Seimbang Beban Terhubung Segitiga Beban Terhubung , Vff A B C Z = R + j X
Peubah Sinyal dlm Sistem 3 Fasa Sistem Tiga Fasa Seimbang Peubah Sinyal dlm Sistem 3 Fasa Dalam sistem tiga fasa kita berhadapan dengan paling sedikit 6 peubah sinyal, yaitu 3 tegangan dan 3 arus. A B C Jaringan X Jaringan Y Dalam keadaan seimbang:
Komponen Simetris
Komponen Simetris Fortesque Sistem tiga fasa tidak selalu dalam keadaan seimbang. Pada waktu-waktu tertentu, misalnya pada waktu terjadi hubung singkat satu fasa ke tanah, sistem menjadi tidak seimbang. Analisis sistem tiga fasa tidak seimbang, dilakukan dengan memanfaatkan komponen simetris. Pada 1918, C.L. Fortesque memaparkan dalam papernya, bahwa tegangan (ataupun arus) dalam sistem tak seimbang dapat dinyatakan sebagai jumlah dari tegangan-tegangan (atau arus-arus) yang seimbang. Tegangan-tegangan (atau arus-arus) yang seimbang ini disebut komponen simetris. Dengan menggunakan komponen simetris, tegangan dan arus tiga fasa yang dalam keadaan tak seimbang di-transformasikan ke dalam komponen-komponen simetris. Setelah analisis dilaksanakan pada setiap komponen simetris, dilakukan transformasi balik dan kita dapatkan solusi dari keadaan tak seimbang.
3 kemungkinan fasor seimbang Komponen Simetris 3 kemungkinan fasor seimbang A B C Jaringan X Jaringan Y Hanya ada 3 kemungkinan fasor seimbang yang bisa menjadi komponen simetris yaitu: 120o VA VB VC Im Re 120o VA VC VB Im Re VA= VB= VC Im Re Urutan Positif Urutan Negatif Urutan Nol
Komponen Simetris Operator a Re 120o Im Badingkan dengan operator j yang sudah kita kenal Im Re
Komponen Simetris Fasor Urutan Uraian fasor yang tak seimbang ke dalam komponen-komponen simetris dengan menggunakan operator a Urutan nol Urutan positif Urutan negatif 120o Im Re 120o Im Im Re
Mecari Komponen Simetris Mencari komponen simetris dari fasor tak seimbang + + +
Komponen Simetris Contoh: Carilah komponen simetris dari tiga fasor arus tak seimbang berikut ini.
Komponen Simetris Bentuk Matriks Transformasi fasor tak seimbang ke dalam komponen simetrisnya dapat dituliskan dalam bentuk matriks sebagai: Fasor tak seimbang Fasor tak seimbang ditulis komponen simetris komponen simetris ditulis Komponen simetris Fasor tak seimbang Dengan cara yang sama, kita peroleh untuk arus: Fasor tak seimbang Fasor komponen simetris
Komponen Simetris Vabc=ZabcIabc Karena fasor tak seimbang ditransformasi ke dalam komponen simetrisnya maka impedansi harus disesuaikan. Sesuai dengan konsep Impedansi di kawasan fasor, kita dapat menuliskan relasi : Ini adalah matriks impedansi 33 yang memberikan induktansi sendiri dan induktansi bersama antar fasa didefinisikan sebagi relasi komponen simetris
Komponen Simetris Contoh Contoh: Tentukan Z012 Xm Transformasi:
Komponen Simetris Transformasi: Impedansi urutan positif Impedansi urutan nol Impedansi urutan positif Impedansi urutan negatif
Hasil transformasi merupakan 1 set rangkaian seimbang Komponen Simetris Rangkaian Urutan Hasil transformasi merupakan 1 set rangkaian seimbang Impedansi urutan nol Impedansi urutan positif Impedansi urutan negatif Masing-masing dipecahkan dengan tatacara rangkaian seimbang. Transformasi balik memberikan pemecahan rangkaian tak seimbang
Daya Pada Komponen Simetris
Relasi Umum Daya Kompleks Komponen Simetris Relasi Umum Daya Kompleks A B C Jaringan X Jaringan Y Secara umum relasi daya kompleks 3 fasa adalah: Dalam bentuk matriks jumlah perkalian ini dinyatakan sebagai:
Relasi Daya dalam Matriks Komponen Simetris Relasi Daya dalam Matriks Jika fasor tegangan dinyatakan dalam bentuk vektor kolom: dan fasor arus dinyatakan dalam bentuk vektor kolom: maka : dituliskan secara kompak:
Relasi Daya dalam Matriks Komponen Simetris Relasi Daya dalam Matriks karena dan maka sehingga atau
Komponen Simetris Contoh: Tentukan daya kompleks 3 fasa dalam keadaan tak seimbang dimana fasor tegangan fasa dan arus saluran diberikan dalam bentuk matriks sbb: Perhatikan bahwa: dan
Komponen Simetris Contoh: Tentukan daya kompleks 3 fasa dalam Contoh sebelumnya dengan menggunakan komponen simetris
Hasil perhitungan sama dengan hasil pada Contoh sebelumnya. Komponen Simetris Contoh Hasil perhitungan sama dengan hasil pada Contoh sebelumnya.
Sistem Per-Unit
Sistem Per-Unit Nilai Basis Sistem per-unit merupakan sistem penskalaan atau normalisasi guna mempermudah kalkulasi. Nilai basis selalu memiliki satuan sama dengan nilai sesungguhnya sehingga nilai per-unit tidak berdimensi. Di samping itu nilai basis merupakan bilangan nyata sedangkan nilai sesungguhnya bisa bilangan kompleks. Kita ambil contoh daya kompleks Jika dan maka Kita ambil nilai basis sembarang maka
tidak diperlukan menentukan basis untuk R dan X secara sendiri-sendiri Sistem Per-Unit Nilai Basis Basis tegangan dan basis arus harus memenuhi relasi Salah satu, Vbase atau Ibase , dapat ditentukan sembarang namun tidak ke-dua-dua-nya. Dengan cara itu maka Basis impedansi tidak diperlukan menentukan basis untuk R dan X secara sendiri-sendiri
Sistem Per-Unit Contoh: 3 j4 j8 Jika kita tentukan Sbase = 500 VA dan Vbase = 100 V maka dan Dalam per-unit, nilai elemen rangkaian menjadi:
Sistem Per-Unit Contoh Penggambaran rangkaian dalam per-unit menjadi 0,15 j0,2 j0,4
Diagram Satu Garis
Diagram Satu Garis Diagram Satu Garis Diagram satu garis digunakan untuk menggambarkan rangkaian sistem tenaga listrik yang sangat rumit. Walaupun demikian diagram satu garis harus tetap memberikan informasi yang diperlukan mengenai hubungan-hubungan piranti dalam sistem. Y Z load Generator Pentanahan netral melalui impedansi CB 1 3 2 4 5 6 Hubungan Y ditanahkan Hubungan Transformator tiga belitan Transformator dua belitan Saluran transmisi Nomor bus Hubungan Y sering dihubungkan ke tanah. Pentanahan melalui impedansi berarti ada impedansi (biasanya induktif atau resistif) diselipkan antara titik netral dan tanah. Titik netral juga mungkin dihubungkan secara langsung ke tanah.
Courseware Sistem Tenaga Listrik # 1 Terimakasih Sudaryatno Sudirham