Studi Stabilitas Transien Sistem Tenaga

Apa itu Studi Stabilitas Transien Sistem Tenaga?

Definisi studi stabilitas transien adalah sebuah kajian dan analisis respons sebuah sistem terhadap gangguan seperti hilangnya pembangkitan, operasi pengalihan saluran (line-switching operations), gangguan (fault), dan perubahan beban mendadak dalam beberapa detik pertama setelah gangguan. Setelah gangguan, frekuensi mesin sinkron mengalami penyimpangan transient dari frekuensi sinkron. Tujuan dari studi kestabilan transien adalah untuk menentukan apakah mesin atau sistem akan kembali ke frekuensi sinkron setelah terjadi gangguan — Omazaki Engineering adalah konsultan yang melayani jasa konsultasi studi dan analisa stabilitas arus, tegangan dan frekuensi transien sistem tenaga listrik. Hubungi Omazaki Engineering bila anda membutuhkan konsultan untuk jasa konsultasi studi analisis kestabilan transient sistem tenaga dengan berkirim email ke cs@omazaki.co.id atau mengisi form dalam kontak. Studi analisis kestabilan transien kami lakukan menggunakan software ETAP.

Kemampuan sistem tenaga untuk kembali ke kondisi normal atau stabil setelah sebuah gangguan disebut stabilitas. Gangguan sistem dapat dari berbagai jenis seperti perubahan beban yang tiba-tiba, hubung-singkat antara saluran dan tanah, gangguan saluran-ke-saluran, ketiga gangguan saluran, switching, dll.

———————————————

Klasifikasi Stabilitas Sistem Tenaga

Stabilitas sistem terutama bergantung pada perilaku mesin sinkron setelah terjadi gangguan. Stabilitas sistem tenaga terutama dibagi menjadi dua jenis tergantung pada besarnya gangguan.

Stabilitas sistem tenaga diklasifikasikan seperti yang ditunjukkan gambar di bawah.

• Stabilitas Steady-State
  Kemampuan untuk menjaga sinkronisasi antara mesin di dalam sistem dan jalur pengikat eksternal setelah gangguan kecil (fluktuasi beban, pengatur turbin, pengatur tegangan). Batas stabilitas keadaan mapan mengacu pada daya maksimum yang dapat ditransfer melalui sistem tanpa kehilangan stabilitas.
• Stabilitas keadaan transien
  Kemampuan untuk menjaga sinkronisasi antara mesin di dalam sistem dan jalur pengikat eksternal setelah gangguan kecil (fluktuasi beban, pengatur turbin, pengatur tegangan). Batas stabilitas keadaan mapan mengacu pada daya maksimum yang dapat ditransfer melalui sistem tanpa kehilangan stabilitas.
• Stabilitas Dinamis
  Dengan menggunakan salah satu dari banyak perangkat lunak analisis hubung singkat yang tersedia, data sistem adalah masukan dan arus hubung singkat di berbagai titik dalam sistem dihitung sebagai keluaran.

Stabilitas Transien

Secara tradisional, stabilitas transient ditentukan dengan hanya mempertimbangkan karakteristik mekanis dan elektromagnetik yang melekat dari mesin sinkron dan impedansi rangkaian yang menghubungkannya. Respon dari sistem eksitasi atau pengatur terhadap perubahan kecepatan generator atau keluaran listrik yang disebabkan oleh gangguan sistem diabaikan. Di sisi lain, stabilitas dinamis memperhitungkan regulator tegangan otomatis dan respons sistem pengatur.

Definisi tradisional stabilitas transien terkait erat dengan kemampuan sistem untuk tetap sinkron untuk gangguan. Studi stabilitas transien biasanya dilakukan dengan asumsi bahwa konstanta waktu eksitasi dan penggerak utama penggerak lebih lama daripada durasi gangguan yang menyebabkan ketidakstabilan.

Gangguan Sistem yang Dapat Menyebabkan Ketidakstabilan

Gangguan paling umum yang menghasilkan ketidakstabilan dalam sistem tenaga industri adalah (tidak harus dalam urutan kemungkinan):

• Hubung-singkat
• Loss of a tie circuit to a public utility
• Loss of a portion of on-site generation
• Starting a motor that is large relative to a system generating capacity
• Switching operations
• Impact loading on motors
• Abrupt decrease in electrical load on generators

Efek dari masing-masing gangguan ini harus terlihat dari pembahasan sebelumnya tentang dasar-dasar stabilitas.

Faktor-faktor yang Dapat Mempengaruhi Stabilitas Transien

• Generator WR²X rpm^{2 ––} Semakin besar besaran ini semakin rendah faktor percepatannya .
• Impedansi sistem — Yang harus mencakup reaktansi transien dari semua unit pembangkit. Ini mempengaruhi sudut fasa dan aliran daya sinkronisasi.
• Durasi gangguan — Durasi akan tergantung pada kecepatan pemutus sirkuit dan skema relai yang digunakan.
• Pembebanan generator
• Beban sistem

———————————————

Pentingnya Analisis Kestabilan Transien

Sistem tenaga dirancang untuk menyediakan catu daya berkelanjutan yang menjaga stabilitas tegangan. Namun, karena kejadian yang tidak diinginkan, seperti petir, kecelakaan atau kejadian tak terduga lainnya, korsleting antara kabel fasa dari saluran transmisi atau antara kabel fasa dan tanah yang mungkin terjadi disebut gangguan. Karena terjadi kesalahan, satu atau lebih generator mungkin sangat terganggu menyebabkan ketidakseimbangan antara pembangkitan dan permintaan. Jika masalah terus berlanjut dan tidak diselesaikan dalam jangka waktu yang telah ditentukan sebelumnya, hal itu dapat menyebabkan kerusakan parah pada peralatan yang pada gilirannya dapat menyebabkan hilangnya daya dan pemadaman listrik. Oleh karena itu, peralatan pelindung dipasang untuk mendeteksi gangguan dan membersihkan / mengisolasi bagian yang rusak dari sistem tenaga secepat mungkin sebelum energi gangguan disebarkan ke seluruh sistem.

Masalah Stabilitas Dalam Sistem Tenaga

Stabilitas sistem tenaga merupakan aspek yang sangat penting untuk memasok daya secara terus menerus. Ini didefinisikan sebagai properti dari sistem tenaga yang memungkinkannya untuk tetap dalam keadaan ekuilibrium operasi dalam kondisi operasi normal dan untuk mendapatkan kembali keadaan kesetimbangan yang dapat diterima setelah mengalami gangguan. Ketidakstabilan sistem tenaga dapat terjadi dalam banyak situasi berbeda tergantung pada konfigurasi sistem dan mode operasi. Salah satu masalah kestabilan adalah menjaga operasi atau sinkronisasi sinkron terutama sistem tenaga yang mengandalkan mesin sinkron. Aspek ini dipengaruhi oleh dinamika sudut rotor generator dan hubungan sudut daya. Masalah ketidakstabilan lain yang mungkin ditemui adalah tegangan runtuh yang sebagian besar terkait dengan perilaku beban dan bukan kecepatan sinkron generator.

———————————————

Maksud dan Tujuan Analisis Stabilitas Transien

Sistem tenaga beroperasi lebih dekat dan lebih dekat ke batasnya yang membuat masalah ketidakstabilan menjadi lebih mungkin. Dengan adanya pemberian tersebut maka sangat penting untuk mendeteksi adanya gangguan yang dapat menyebabkan ketidakstabilan. Ketidakstabilan dapat terjadi selama kondisi-mapan; Namun, ini terjadi lebih sering setelah korsleting yang membuat waktu untuk membersihkan gangguan besar menjadi sangat singkat. Artinya, sangat penting untuk menentukan apakah sistem akan stabil sementara atau akan kehilangan sinkronisasi. Oleh karena itu, analisis stabilitas transien membutuhkan komputasi dan pengambilan keputusan yang sangat cepat.

Studi analisis stabilitas transient sangat membantu untuk menentukan waktu pembersihan kritis pemutus sirkuit, level tegangan, dan kemampuan transfer sistem.

Studi Stabilitas Transien berupaya meningkatkan keandalan sistem yang diteliti dengan meminimalkan efek merusak dari transien yang sering terjadi dalam sistem tenaga dengan bantuan metode mitigasi standar industri.

———————————————

Metode Analisis Stabilitas Transien

Metode dalam analisis stabilitas transien antara lain swing equation, equal-area criterion, numerical integration methods, dan direct methods transient stability analysis.

Swing Equation

Persamaan ayunan menggambarkan dinamika rotasi mesin sinkron dan digunakan dalam analisis stabilitas untuk mencirikan dinamika itu. Selama operasi normal, posisi relatif sumbu rotor dan sumbu resultan ditetapkan. Selama gangguan pada mesin, rotor berakselerasi atau melambat sehubungan dengan MMF celah udara berputar sinkron. Persamaan ayunan menggambarkan hubungan ini. Persamaan ayunan sistem tenaga diberikan sebagai:

Equal-Area Criterion

Pertimbangkan single-machine infinite bus (SMIB) mesin tunggal pada Gambar di bawah. Untuk model sistem yang dipertimbangkan pada Gambar di bawah ini, tidak perlu menyelesaikan persamaan ayunan secara formal untuk menentukan apakah sudut rotor meningkat tanpa batas atau berosilasi pada posisi kesetimbangan.

Numerical Integration Methods

Metode yang paling umum digunakan untuk memecahkan Persamaan ayunan 2.3 adalah integrasi numerik. Kondisi awal dari persamaan diferensial yang akan diselesaikan adalah sudut ayun 0 (SEP) dari Gambar 2.8.

Direct Methods Transient Stability Analysis

Metode langsung menentukan stabilitas tanpa secara eksplisit menyelesaikan persamaan diferensial sistem. Pendekatan ini telah mendapat banyak perhatian sejak karya awal Magnusson dan Aylett yang menggunakan fungsi energi transien untuk penilaian stabilitas.

———————————————

Analisis Stabilitas Transien Menggunakan Perangkat Lunak Komputer

Software Yang Biasa Dipakai

Ada banyak perangkat lunak (software) yang tersedia untuk melakukan studi analisis kestabilan transien sistem tenaga listrik, antara lain:

• ETAP
• SKM
• EasyPower
• DigSILENT
• PSS®

Metodologi

• Pengumpulan data & verifikasi
• Site visit
• Pemodelan sistem
• Verifikasi dan validasi model
• Simulasi
• Analisis
• Pelaporan

Kebutuhan Data

Data yang diperlukan untuk melakukan studi kestabilan transien dan format yang direkomendasikan untuk mengatur dan menyajikan informasi untuk penggunaan yang paling nyaman dibahas secara rinci dalam panduan aplikasi untuk program stabilitas tertentu. Berikut ini adalah ringkasan dari kelas generik dari data yang dibutuhkan. Perhatikan bahwa beberapa informasi yang lebih esoteris tidak penting; menghilangkannya hanya membatasi keakuratan hasil, terutama pada waktu yang melebihi lima kali durasi gangguan yang dipelajari.

• Data sistem
• Impedansi (R + jX) dari semua jalur transmisi penting, kabel, reaktor, dan komponen seri lainnya

Untuk Semua Transformator Yang Signifikan

• kVA rating
• Voltage ratio
• Impedance
• Voltage ratio
• Winding connection
• The tap is available and the tap is in use

Untuk Load Tap Changing Regulator dan Transformator

• Load data: real and reactive electrical loads on all buses significant load on system
• Short circuit capacity (steady-state basis) of the utility supply, if any
• kVAR from all significant capacitor banks
• Description of normal and alternative switching settings
• Rotating engine data

Untuk Mesin Sinkron Utama

• Mechanical and / or electric power rating (kVA, hp, kW, etc.)
• Speed
• The inertia constant H or inertia Wk2 of the rotating engine and the connected load or prime mover
• Speed torque curve or other load torque description, if motor
• Real and reactive loading, if the generator is basic charged
• Sub-transient, transient, and direct axis synchronous reactance
• The quadrature axes of sub-transient, transient, and synchronous reactance
• Sub-transient time constant and transient time on the direct and quadratic axes
• Saturation information
• Potier reactance
• Data attenuation
• Excitation system type, time constant, and limitation
• Regulator and steam system or other types of prime mover, time constant and limit

Untuk Mesin Sinkron Kecil

• Inertia
• Speed
• Direct axis synchronous reactance
• For main induction machines or engine groups
• Mechanical and/or electrical power rating
• Positive-sequence equivalent sequence data (for example, R₁, X₁, XM)
• Negative sequence equivalent data (e.g., R₂, X₂)
• Load speed torque curve
• Description of low voltage or other starting arrangement

Untuk Mesin Induksi Kecil

• Interference data
• An overview of the disturbance to be studied, including (as applicable) the initial transition status; error type, location, and duration; changing operations and timing; manufacturer, type and arrangement of protective relays; and the clearing times of the associated breakers
• Study parameters
• Study duration
• Limits on acceptable voltage, current, or power swing

Hasil (Deliverables) Studi Kestabilan Transien

Kebanyakan program stabilitas memberi pengguna banyak pilihan hasil untuk dicetak. Program ini dapat menghitung dan mencetak informasi berikut sebagai fungsi waktu dalam analisis domain waktu:

• Sudut rotor, torsi, dan kecepatan mesin sinkron
• Daya nyata dan reaktif mengalir ke seluruh sistem
• Tegangan dan sudut tegangan di semua bus
• Frekuensi bus
• Torsi dan slip dari semua mesin induksi

Kombinasi hasil yang dipilih oleh pengguna ini dapat dicetak untuk setiap interval pencetakan (juga dipilih pengguna) selama masa studi.

Nilai studi sangat dipengaruhi oleh pemilihan interval pencetakan yang tepat dan total durasi simulasi. Biasanya, interval pencetakan 0,01 atau 0,02 dtk digunakan; interval yang lebih lama mengurangi waktu solusi sedikit, tetapi meningkatkan risiko kehilangan ayunan cepat sudut rotor. Waktu yang dibutuhkan untuk mendapatkan solusi sebanding dengan lamanya atau periode yang dipelajari, sehingga parameter ini harus dikontrol secara ketat demi ekonomi.

Menghindari periode studi kestabilan transien yang lama sangat penting terutama jika sistem dan mesin memilikinya telah diwakili kira-kira atau tidak lengkap karena kesalahan akan terakumulasi dan membuat hasil tidak berarti setelah beberapa titik. Batas waktu lima kali durasi gangguan utama yang dipelajari umumnya cukup lama untuk menunjukkan apakah sistem stabil (dalam arti stabilitas sementara) atau tidak, sambil menjaga persyaratan waktu solusi ke tingkat yang wajar.

Analisis domain frekuensi akan menghitung nilai eigen untuk menentukan karakteristik stabilitas sistem. Untuk sistem utilitas yang besar, sebagian besar program hanya dapat memberikan nilai eigen dominan dari sistem. Informasi ini cukup untuk kebanyakan studi stabilitas kecuali situasi nilai eigen multi-dominan.

———————————————

Hubungi Omazaki Engineering jika Anda membutuhkan jasa konsultasi dari konsultan studi dan analisis kestabilan atau stabilitas transien sistem tenaga listrik untuk proyek kelistrikan atau evaluasi transient sistem kelistrikan eksisting Anda.

———————————————

Artikel Terkait

• Studi & Analisis Sistem Tenaga Listrik
• Studi & Analisis Aliran Daya
• Studi Hubung Singkat
• Studi Koordinasi Proteksi
• Studi dan Analisis Pengasutan (Starting) Motor
• Studi & Analisis Harmonik
• Studi & Asesmen Arc Flash
• Studi & Asesmen Kualitas Daya
• Studi & Analisis Jatuh Tegangan

Referensi

• IEEE 1110-2019 – IEEE Guide for Synchronous Generator Modeling Practices and Parameter Verification with Applications in Power System Stability Analyses
• Hussain Hassan Al Marhoon, A Practical Method for Power Systems Transient Stability and Security, Thesis Master of Science in Engineering Electrical of the University of New Orleans.
• Velimir Lackovic, Char. Eng., Power System Transient Stability Study Fundamentals, Continuing Education and Development, Inc. 9 Greyridge Farm Court, Stony Point, New York.

———————————————