Paper 1

(Seminar Sistem Tenaga Elektrik) SSTE III di ITS, 8 Oktober 2002

APLIKASI GTO-CSC SEBAGAI KOMPENSATOR DAYA REAKTIF PADA SEBUAH MODEL SALURAN TRANSMISI TENAGA LISTRIK SATU FASA-SALURAN PENDEK Syamsir Abduh

Luqmanul Hakim E

Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Trisakti E-mail : [email protected] ; [email protected] Kampus A Usakti : Gedung E Lantai 1, Lab. Teknik Tegangan Tinggi dan Penyaluran Energi Jln. Kyai Tapa No.1, Grogol-11450, Jakarta Barat ; Telp / Fax : 021-5663232 Ext. 421 / 021-5605841

Abstrack - The excellent performance of switching and fast-stepping of power semiconductor devices technology at present time, have bridged the phenomenon of dependence between optimizing the electrical power transmission line utilization and reactive power compensation control using series capacitor, more flexible. One of power semiconductor devices whose the function as the bridge is Gate Turn-Off (GTO) thyristor. This paper discussing the operation principle of series capacitor compensation which controlled by GTO, it's called GTO-CSC ( Gate Turn-Off thyristor Controlled Series Capacitor ). Performance of GTO-CSC in supplying reactive power will be shown by calculating simulation in a model of electrical power transmission line single phase-short line. The result of simulations will be displayed in graphics that programmed by computer software as a tool. The name of software is MATHCAD. The result of analysis in resistive-inductive and pure inductive loading explain the ability of GTO-CSC to provide a fast, continuous, and smooth compensation of transmission line series inductance. It can be said like that because GTO is easy to turn-on and turn-off every half cycle, so GTO-CSC has capability to respond for various load conditions in vary capacitance level more accurately. Keywords : GTO, Series Capacitor, Series Inductance, Compensation, MATHCAD. menjadi lebih baik, dan biaya menjadi lebih rendah dibandingkan TCSC.

PENDAHULUAN

RANGKAIAN DASAR DAN PRINSIP KERJA

Teknologi terakhir untuk tujuan pengendalian daya reaktif dengan kapasitor seri pada saluran transmisi tenaga listrik adalah TCSC ( Thyristor Controlled Series Capacitor ). Sistem ini menggunakan jenis thyristor konvensional ( SCR ) untuk mengatur besarnya derajat kompensasi yang dibutuhkan pada kondisi beban tertentu, secara otomatis. Kelemahan utama TCSC yaitu membutuhkan rangkaian tambahan untuk komutasi paksa sehingga sedikit lebih rumit dan perlu biaya lebih besar. GTO-CSC memiliki prinsip kerja yang sama dengan TCSC. Namun karena GTO merupakan turunan dari SCR, ia memiliki lebih banyak keunggulan. Diantaranya adalah mampu dinyalakan dan dipadamkan cukup melalui kaki gerbangnya saja. Jika kaki gerbangnya disulut pulsa positif GTO akan menyala, jika disulut pulsa negatif GTO akan padam. Selain itu, GTO memiliki kecepatan pensaklaran yang lebih tinggi daripada SCR. Dengan keunggulan-keunggulan itulah, maka GTO-CSC dapat mengompensasi reaktansi induktif saluran dengan lebih cepat, teliti, dan halus, efisiensi sistem secara total

Gambar 1 menunjukkan rangkaian dasar GTO-CSC. Terdiri dari kapasitor yang terpasang secara seri terhadap saluran transmisi dan dua buah GTO yang terhubung saling anti-paralel. Sepasang GTO tersebut dirangkai paralel terhadap kapasitor seri. Dalam menganalisa prinsip kerja GTO-CSC, diambil asumsi : • Kapasitor seri digunakan untuk mengompensasi XL saluran transmisi. • Besarnya arus saluran selalu konstan, tidak dipengaruhi oleh operasi kompensasi. Untuk memasukkan kapasitor ke dalam rangkaian, GTO harus dipadamkan dan untuk melepasnya keluar dari rangkaian GTO harus dinyalakan. Sehingga keberadaan kapasitor di dalam rangkaian dapat dipastikan dengan lebih cermat, yaitu setiap ½ perioda. Ketika GTO dinyalakan, kompensasi yang terjadi mendekati nol karena kapasitor dihubung singkat dan ketika GTO dipadamkan kapasitor akan mengompensasi sebagian induktansi saluran ( kapasitor masuk ke

1

(Seminar Sistem Tenaga Elektrik) SSTE III di ITS, 8 Oktober 2002 dalam saluran ). Jika GTO telah padam dengan sempurna, kapasitor akan berada di dalam saluran secara utuh yang berarti kompensasi maksimum telah tercapai. Dengan mengubah sudut penyulutan ( sudut penyisipan ) GTO berarti mengubah sudut fasa dimana GTO tersebut terhubung, dan dengan demikian besarnya kompensasi dapat diatur. Telah disebutkan di atas, bahwa proses bypassing dan reinserting kapasitor dilakukan setiap ½ perioda. Dengan cara inilah kita dapat menanggapi kebutuhan beban yang berfluktuasi dalam interval ½ perioda tersebut. GTO-CSC juga lebih fleksibel, berkesinambungan, dan cepat dalam menyalurkan besarnya daya karena ia berprinsip mengurangi impedansi saluran. Dimana besarnya impedansi saluran berbanding terbalik dengan besarnya daya maksimum yang dapat disalurkan. Kelebihan lainnya bahwa kompensator ini mempunyai kemampuan untuk mengatur perubahan secara kontinu dan lebih halus.

t

1 Io = I( t )dt = − 2 {cos(ωt − φ) − cos(α − φ)} Cα ωC ………………….. (2) Dari persamaan (2), terlihat tegangan kapasitor seri ( VC ) berbanding lurus dengan reaktansi kapasitif dari kapasitor ( XC ) dan berbanding terbalik dengan kapasitansinya ( C ). Karena arus saluran diasumsikan tetap, tidak berubah selama berlangsungnya proses kompensasi , maka dengan memperbesar VC nilai XC juga akan membesar dan kapasitansi C akan mengecil. Kalau sebaliknya, XC akan mengecil dan kapasitansi C seolah-olah membesar walaupun secara fisik dimensi dari kapasitor tersebut tidak berubah. XC inilah yang akan mengompensasi reaktansi induktif rangkaian. Nilai VC diatur bukan dengan mengubah besarnya arus saluran yang mengalir, tetapi dengan mengatur lamanya waktu arus saluran tersebut dialirkan ke dalam kapasitor. Nilai RMS Vc(t) dinyatakan oleh :

GTO-p

VcRMS =

T

1 {Vc( t )}2 dt ………………. (3) T0

GTO-n

Bus 1 (Sumber)

Bus 2 (Beban) I

Kapasitor Seri

Saluran Transmisi GTO-CSC

Gambar 1 : Rangkaian Dasar GTO-CSC

( a ). Diagram Satu Garis Gambar 2 menerangkan prosedur operasi GTOCSC. Aliran daya pada sistem ini bergerak dari kiri ( sumber ) ke kanan ( beban ). Off-state terjadi saat GTO dipadamkan dan berarti kapasitor terhubung ke dalam rangkaian. On-state ( bypass state ) terjadi saat GTO dinyalakan dan berarti kapasitor dihubung-singkat ( bypassed ). GTO dinyalakan saat tegangan kapasitor menuju nol ( sebelum nol ) untuk menghindari timbulnya tegangan transien maupun arus transien. Persamaan (1) menyatakan besarnya arus saluran pada suatu harga waktu t tertentu yang berjalan menurut gelombang sinusoidal :

C

L

R

I Beban

Sumber

( b ). GTO OFF-State R

L

I

I( t ) = 2 .Io. sin(ωt − φ) ………………… (1) Sumber

Beban

sedangkan tegangan kapasitor pada suatu harga waktu t tertentu yang berjalan secara cosinusoidal dinyatakan oleh persamaan :

Vc( t ) = I( t ) × XC

( c ). GTO ON-State Gambar 2 : Rangk. Ekivalen Operasi GTO-CSC

2

(Seminar Sistem Tenaga Elektrik) SSTE III di ITS, 8 Oktober 2002 Untuk menjabarkan proses kompensasi yang dilakukan GTO-CSC, di bawah ini tersedia gambar 3 yang menampilkan kurva tegangan, arus saluran, dan tegangan kapasitor seri selama kompensasi penuh terjadi. Artinya, GTO dipadamkan selama ½ perioda penuh ( σ = 180° = 0,01 detik ). Arus saluran lagging sebesar sudut φ terhadap tegangan dan VC lagging 90° terhadap arus yang mengisinya. Gambar 4 memperlihatkan kurva hasil simulasi jika GTO dipadamkan selama kurang dari 180° ( σ < 180° ). Hasil simulasi perhitungannya dapat dilihat pada tabel 1 dan 2.

V,I

V(t) = 2

φ

0,5

V sin ( ω t )

I(t) = 2

0,5

Io sin ( ω t -φ )

ωt

o

90

Tegangan VC(t) lagging 90o terhadap arus yang mengisi Kapasitor

π

VC(t) = 1/C x intg 0! I(t) dt

Gambar 3 : Kompensasi Penuh ( Saat GTO OFF Selama 180° )

sumbu awal sinus tegangan sumbu awal sinus arus beban tergeser lag φ terhadap tegangan

penggeser Vc bernilai positif

- Vc max x cos (ωt - φ ) + [ Vc max x cos ( α - φ )] sewaktu membentuk gel. Tegangan Vc negatif

σ/ 2 δ

δ

φ

I(t) = 2

σ/ 2

o

δ α

Io sin ( ω t -φ )

90

σ/ 2 +

0,5

σ π

δ=0

penggeser Vc bernilai negatif

VC(t) = - Vc max x cos (ωt - φ) untuk δ = 0 dan σ = π, Vc(t) asli Tegangan VC(t) yang diatur oleh GTO lag 90o terhadap arus yang mengisi Kapasitor

- Vc max x cos (ωt - φ ) + [ Vc max x cos ( α - φ )] sewaktu membentuk gel. Tegangan Vc positif

Gambar 4 : Kompensasi Saat GTO OFF Selama Kurang Dari 180°

3

(Seminar Sistem Tenaga Elektrik) SSTE III di ITS, 8 Oktober 2002

REALISASI MODEL SALURAN TRANSMISI TENAGA LISTRIK Rangkaian ekivalen dari model transmisi diperlihatkan oleh gambar 5 :

GTO-CSC

saluran

Z sal

VR

Z beban

I sal Vs = 150k V 50 Hz

Gambar 5 : Rangkaian Model Tegangan kirim ( VS : sending voltage ) yang dipakai 150 kV / 50 Hz. Saluran diumpamakan sebagai kawat ACSR-242 mm2 ( Aluminium Conductor Steel Reinforced ), karena jenis inilah yang banyak digunakan di Indonesia oleh PLN. Kawat ACSR-242 mm2 memiliki nilai impedansi sebagai berikut : R sal = 0,1342 Ω / km. XL sal

=

j 0,2971 Ω / km.

Dianggap panjang saluran sejauh 50 km. Berarti, Gambar 6 : Profil Tegangan Terima dan Cos φ Sistem

(0,1342 + j 0,2971) × 50 = (6,71 + j14,855) Ω Lsal = 47,3 mH = (16,3 L 65,69 °) Ω.

Z sal =

Berkurangnya jatuh tegangan tersebut disebabkan oleh berkurangnya XL saluran karena masuknya XC ke dalam saluran. Dimana XC dan XL akan saling mengurangi secara vektoris sehingga panjang elektrik saluran akan mengecil. Ilustrasinya diperlihatkan oleh gambar 7.

Ada dua jenis beban yang dipakai pada perhitungan ini, yaitu : 1). Beban resistif-induktif : Z1 =

- j I.XC

(200 + j100) = (223,6 L 26,56 ° ) Ω

j I.X VS

Berarti, Rbeban I = 200 Ω dan Lbeban I = 318,5 mH. 2). Beban induktif murni :

VR

φ

Z2 =

( j10) = (10 L 90° ) Ω

I.R I

Berarti, Rbeban II = 0 dan Lbeban II = 31,85 mH.

Gambar 7 : Pengaruh Kompensasi Kapasitor Seri Terhadap Jatuh Tegangan Saluran

Derajat kompensasi maksimum yang ingin dicapai sebesar 15,51 % untuk beban resistifinduktif dan 71,71 % untuk beban induktif murni. Berarti kapasitor bank yang dipakai cukup sebesar 180 µF ( 17,684 Ω ). Lihat gambar 6. Persentase penurunan VR terhadap VS sebelum kompensasi, saat beban 1 adalah 5,44 % dan beban 2 = 61,16 %. Setelah dikompensasi penuh, saat beban 1 naik menjadi 2,08 % sedangkan saat beban 2 menjadi –2,9 %.

HASIL ANALISA Berikut diberikan hasil perhitungan dan gambar grafik yang menunjukkan unjuk kerja kompensasi menggunakan kapasitor seri yang dikendalikan GTO, disebut GTO-CSC. Hasil-hasil tersebut diperoleh dari perangkat lunak MATHCAD.

4

(Seminar Sistem Tenaga Elektrik) SSTE III di ITS, 8 Oktober 2002 Tabel 1 : Hasil Perhitungan Untuk Beban Resistif-Induktif Vs (kVrms) 150 L0°

I sal (A) 634,31 L-29,058°

Nilai Kapasitansi Cseri = 180 µF σ(°) Cseri AKTIF / GTO OFF 0

t(σ) dalam detik

t(δ) dalam detik

VC RMS (V)

XC (Ω)

Cseri Ekivalen ( µF )

0

δ(°) Cseri NON AKTIF / GTO ON 180

0,0100

0

0

∞

60 120

0,0033 0,0067

120 60

0,0067 0,0033

893,149 4665,631

1,408 7,355

2261 432,8

180

0,0100

0

0

11217,064

17,684

180

XC (Ω)

Cseri Ekivalen ( µF )

Tabel 2 : Hasil Perhitungan Untuk Beban Induktif Murni Vs (kVrms) 150 L0°

I sal (A) 5826,42 L-74,89°

2 .10

Nilai Kapasitansi Cseri = 180 µF σ(°) Cseri AKTIF / GTO OFF 0

t(σ) dalam detik 0

δ(°) Cseri NON AKTIF / GTO ON 180

60 120 180

t(δ) dalam detik 0,0100

0

0

∞

0,0033 0,0067

120 60

0,0067 0,0033

8203,963 42856,134

1,408 7,355

2261 432,8

0,0100

0

0

103033,727

17,684

180

220000

5

1 .10

5

1 .10

4 5 .10

I( t ) g( t )

V( t )

4 5

1 .10

5

5

1.5 .10

5

2 .10

5

2 .10

5

2 .10

5

1.5 .10

5

1 .10

5

5 .10

4

I( t )

− 220000

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06

− 220000

4

1 .10

5

1.5 .10

5

2 .10

5

V( t )

g( t )

2 .10

5

1.5 .10

5

1 .10

5

5 .10

4

g( t )

4

1 .10

5

− 220000

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 t ( detik )

0.06

2 .10

1 .10

5

5 .10

4

5 .10

4

1 .10

5

0

2 .10

5

0

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 t ( detik )

0.06

Gambar 12 : Beban Induktif Murni σ = 120° 220000

2 .10

5

1.5 .10

5

5 1 .10

V( t )

5 .10

4

5 .10

4

1 .10

5

I( t ) g( t )

0

5 1.5 .10

5

0 0.0

5

0.0

5 1.5 .10

− 220000

0.06

5 1.5 .10

0 5 .10

2 .10

I( t )

0

I( t )

t ( detik )

5 1.5 .10

Gambar 9 : Beban Resistif-Induktif σ = 120°

V( t )

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06

Gambar 11 : Beban Induktif Murni σ = 60°

0 5 .10

0 0.0

220000

0.0

220000

4

1 .10

Gambar 8 : Beban Resistif-Induktif σ = 60°

g( t )

5 .10

1.5 .10

t ( detik )

V( t )

5

4 5 .10

0

g( t )

0

220000

5

I( t )

0 5 .10

2 .10

5 1.5 .10

5 1.5 .10

V( t )

VC RMS (V)

− 220000

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 t ( detik )

0.06

Gambar 10 : Beban Resistif-Induktif σ = 180°

2 .10

5

0 0.0

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 t ( detik )

Gambar 13 : Beban Induktif Murni σ = 180°

5

0.06

(Seminar Sistem Tenaga Elektrik) SSTE III di ITS, 8 Oktober 2002 KESIMPULAN DAN SARAN

DAFTAR SIMBOL

Kesimpulan 1. GTO, yang merupakan salah satu jenis thyristor ( SCR = Silicon Controlled Rectifier ), memiliki kemampuan pensaklaran yang cepat, kontinu, dan halus serta berdaya tinggi sehingga amat cocok diaplikasikan pada sistem tenaga listrik yang berating tegangan maupun arus yang tinggi pula. Kelebihan utama dari GTO yaitu mampu dinyalakan dan dipadamkan melalui kaki gerbangnya saja. Ini membuat efisiensi sistem secara total menjadi lebih baik dan biaya yang dikeluarkan lebih murah karena tidak membutuhkan rangkaian komutasi paksa. 2. GTO-CSC mampu mengompensasi saluran hantaran listrik arus bolak-balik dengan lebih akurat, karena nilai reaktansi kapasitif kapasitor yang akan mengurangi reaktansi induktif hantaran, bisa disesuaikan dengan kebutuhan kondisi beban untuk setiap setengah perioda. Hal itu dilakukan dengan cara mengalihkan jalannya arus yang akan melewati kapasitor, sehingga lamanya waktu arus saluran tersebut mengalir di dalam kapasitor bisa diatur. Berarti, tegangan pada kapasitor bisa diubah-ubah nilainya. Begitu juga dengan nilai reaktansi kapasitif dari kapasitor. 3. Derajat kompensasi yang dibutuhkan untuk melayani beban resistif-induktif tidak perlu mencapai nilai maksimumnya ( 15,51 % ). Artinya, lamanya GTO padam tidak perlu sampai 180° ( padam total selama ½ perioda ). Sedangkan untuk melayani beban induktif murni, diperlukan derajat kompensasi yang lebih tinggi. Hasil perhitungan menunjukkan, agar Cos φ sistem mencapai 0,8 GTO harus dipadamkan total selama ½ perioda. Artinya kompensasi maksimum terjadi (derajat kompensasi 71,71 % dengan σ = 180° = 10 ms).

α ≤ ωt ≤ ( δ + σ ) Io = nilai rms arus saluran C = nilai kapasitansi kapasitor seri φ = beda sudut fasa antara tegangan & arus saluran ω = 2πf f = frekuensi system α = σ/2 + φ = batas awal Cseri aktif ( GTO OFF ), di saat V(t) = 0 σ = lebar sudut selama GTO OFF – Cseri aktif δ = 180° - σ = lebar sudut selama GTO ON-Cseri nonaktif T = ½ perioda = π/ω = 0,01 detik VS = tegangan sisi kirim VR = tegangan sisi terima VC = tegangan kapasitor seri Z = impedansi DAFTAR PUSTAKA [1].E., Luqmanul Hakim, Unjuk Kerja GTO-CSC Sebagai Komponen Kompensator Daya Reaktif Pada Sebuah Model Saluran Transmisi Tenaga Listrik, Skripsi Sarjana S-1, Jakarta : Jurusan Teknik Elektro FTIUSAKTI, 2002. [2].Karady, G. G., et al., “ Continuously Regulated Series Capacitor ”, IEEE Transaction on Power Delivery, Juli 1993, hal. 1348-1355. [3].Miller, T. J. E., Reactive Power Control In Electric Systems, New York : A WileyInterscience Publication, 1982. [4]. Nejad, M. Mardani dan Ortmeyer, T. H., “ GTO Thyristor Controlled Series Capacitor Switch Performance ”, IEEE Transaction on Power Delivery, Vol. 13, No. 2, April 1998, hal. 615-621.

Saran 1. Bisa dikembangkan lebih lanjut untuk sistem hantaran tiga fasa-saluran jarak menengah maupun jauh. Walaupun sistemnya hanya satu fasa-saluran pendek, namun sebenarnya paper ini sudah cukup untuk memperlihatkan kemampuan GTO-CSC dalam menyediakan daya reaktif ke sistem. 2. Diharapkan, studi untuk metode kompensasi jenis lain dapat dikembangkan. 3. Dapat pula diteliti lebih lanjut bagaimana mengendalikan GTO agar dapat dinyalakan dan dipadamkan secara otomatis sesuai kondisi beban.

6