Kurva Kapabilitas Generator [PDF]

Citation preview

KURVA KAPABILITAS GENERATOR November 10, 2014 Generator menghasilkan daya aktif yang dinyatakan dalam MW dan daya reaktif yang dinyatakan dalam MVAR. Kapasitas generator dinyatakan dalam MVA dimana:



komponen daya aktif MW diatur dengan mengatur kopel penggerak/ pemutar generator,sedangkan komponen daya reaktif diatur dengan mengatur arus penguat generator. pengaturan kopel penggerak generator untuk mengatur komponen MW ini dilakukan dengan mengatur kopel yang dihasilkan oleh mesin. pada mesin penggerak generator yang berupa turbin air,



pengaturannya dilakukan dengan mengatur banyaknya air penggerak



turbin.sedangkan pada mesin penggerak generator yang berupa turbin uap,pengaturan kopel ini



dilakukan



dengan



mengatur



banyaknya



uap



yang



masuk



ke



turbin



uap.



Daya reaktif, daya penyeimbang untuk mempertahankan batas-batas tegangan keluaran (pada generator), atau sebagai daya peredam karena reaktans beban atau saluran. Sekalipun daya ini tidak bisa diubah menjadi energi kerja, tetapi keberadaannya pada generator sangat diperlukan untuk men-stabilkan tegangan, khususnya pada masa peralihan saat terjadi perubahan beban, sementara itu belum diikuti oleh perubahan daya riil. Peran daya reaktif men-stabilkan tegangan agar tegangan tersebut mampu mendorong arus ke beban. Pengubahan daya reaktif pada generator dilakukan dengan mengubah arus eksitasi belitan medannya.



Oleh



karena



itu



fenomena



perubahan



daya



reaktif



atau pengaturan daya reaktif dapat dipandang sebagai fenomena pengaturan fluks medan atau pengaturan



arus



eksitasi



medan.



pengaturan daya reaktif dilakukan dengan mengatur arus penguat generator,Hal ini dilakukan dengan mengatur tahanan pengatur dalam sirkuit arus penguat. Yang membatasi penyediaan daya aktif adalah masalah-masalah mekanis yang berkaitan dengan mesin penggerak, sedangkan yang membatasi daya reaktif adalah kemampuan sirkuit eksitasi menyediakan arus penguat



yang dipengaruhi antara lain oleh sistem pendinginan generator.



Kurva Kapabillitas Generator adalah Kurva yang menjelaskan pola Operasi Generator dilihat dari sisi Beban yang diterima Jaringan dari grafik ini dapat ditentukan titik operasi terbaik Generator



dilihat



dari



sisi



pendinginannya



(



tekanan



Gas



hidrogen



)



Gambar 1 memperlihatkan kurva kapabilitas dari suatu generator yang didinginkan dengan gas hidrogen.



Gambar



1



Kurva



Kapabilitas



Generator



300MW



Parameter tekanan gas hidrogen sebagai media pendingin diperlihatkan pada gambar 1.Makin besar tekanan gas hidrogen ,makin besar efek pendinginannya sehingga dapat digunakan arus penguat yang lebih besar lagi. Generator mampu menyerap atau memberikan daya reaktif, namun kemampuan ini dibatasi oleh kurva kapabilitas reaktif yang dimiliki oleh setiap generator



- Jika generator memberikan / mensuplai daya reaktif, bisa dikatakan generator bersifat kapasitif, namun jika eksitasinya berlebihan (Over Excitation) maka hal ini akan mengakibatkan



panas



yang



berlebihan



pada



lilitan



rotornya,



dan



- Jika generator menyerap daya reaktif, bisa dikatakan generator bersifat induktif, namun jika eksitasinya kurang (Under Excitation) maka hal ini akan mengakibatkan panas yang berlebihan



pada



lilitan



statornya.



Kondisi Over Excitation dan Under Excitation pada saat pengoperasian harus dihindari, seperti disebutkan diatas dan efek domino yang diakibatkan tidaklah kecil, karena pemanasan yang berlebihan dapat mengakibatkan kerusakan laminasi dari lilitan2 tsb dan jika lilitan dari laminasi tsb rusak maka tidak menutup kemungkinan akan terjadi hubung singkat antar fasa atau dengan body generator.



referensi: Ir Djiteng Marsudi,PEMBANGKITAN ENERGI LISTRIK,edisi ke 2,Erlangga



Kurva Kapabilitas Generator (Capability Curve) By admin_hu · January 13, 2017 · Leave a comment Salam Power, Ketika sudah mengenal generator, pasti kita akan bertanya bagaimana dan berapa kemampuan dari generator tersebut. Untuk mengetahuinya, pastikan terlebih dahulu untuk melihat dokumen kurva kapabilitas generator atau nama umumnya adalah “Capability Curve“. Sebelum menuju kurva kapabilitas, alangkah baiknya kita mengenal beberapa terminologi satuan daya; yaitu sebagai berikut: 1. MVA atau kVA; Mega/Kilo Volt Ampere: adalah satuan daya kompleks terdiri dari daya aktif (Watt) dan daya reaktif (VAR). 2. MW atau kW; Mega/Kilo Watt: adalah satuan daya aktif; daya yang digunakan untuk menggerakkan mesin-mesin listrik 3. MVAR atau kVAR; Mega/Kilo Var: adalah satuan daya semu; daya ini disebut juga sebagai rugi-rugi daya, namun dibutuhkan oleh mesin-mesin listrik (untuk magnetisasi) dan jaringan (tegangan). Kita akan coba perdalam lebih lanjut untuk hal ini di artikel lain.



Gambar. 1 Typical Capability Curve Gambar di atas adalah salah satu contoh kurva umum dari sebuah kurva kapabilitas. Mari kita bahas satu per satu secara umum apa maksud dari kurva tersebut. 1. Batas MVA atau kVA; ditunjukkan garis semu vertikal untuk 1.0 per unit satuan. Adalah batas daya kompleks dari sebuah generator yang menunjukkan berapa kapasitas/desain maksimum dari generator tersebut. Ini dapat menunjukkan kemampuan dari turbine/prime mover secara tidak langsung. 2. Batas maksimum daerah lagging; daerah di dalam kurva lengkung lagging (ditunjukkan oleh tulisan “Rated pf Lagging” dimana dalam kondisi ini generator akan menyuplai VAR (daya semu) ke jaringan 3. Batas maksimum daerah leading; daerah di dalam kurva lengkung leading (ditunjukkan oleh tulisan “0.95 pf leading” dimana dalam kondisi ini generator akan menyerap VAR (daya semu) dari jaringan.



Hubungan antara MVA, MW, dan MVAR adalah sebagai berikut:



Sebuah “nameplate” generator akan tertulis; misalnya 100 MVA, PF =0.85, 11.8 kV, 4890 A. Artinya adalah maksimum kemampuan dari generator adalah di 100 MVA, dengan faktor daya di 0.85 lagging, dan maksimum arus yang bisa dihasilkan adalah 4890 A.



Pada prinsipnya, operasi didalam kurva bagi generator adalah aman, namun dalam aspek keandalan (reliability) dan fakta di lapangan, operasi pada daerah tertentu dan dalam periode yang lama akan mempengaruhi umur dari generator tersebut. Berikut beberapa contoh umum kondisi yang berpengaruh terhadap kondisi generator: Kasus 1. Operasi di daerah lagging Merupakan daerah normal operasi di semua generator, yaitu generator menghasilkan dan mengirimkan Watt dan VAR ke jaringan. Namun, peningkatan VAR dari generator akan meningkatkan arus di rotor generator dan menjadikan temperatur rotor di generator menjadi lebih panas. Kondisi 2. Operasi di daerah leading (ALASAN UNDER EKSITASI) Merupakan kondisi yang tidak normal pada operasi generator. Kondisi ini dapat dipicu oleh kondisi grid/jaringan yang berlebih VAR, sehingga tegangan di jaringan lebih tinggi dari nominal. Oleh karena itu, para pembangkit diminta oleh pengatur jaringan (misal PLN) untuk menyerap VAR. Dalam kondisi leading, akan mendekati kondisi “tidak stabil” pada generator, dan peningkatan penyerapan VAR akan membuat meingkatkan temperature “end winding core” atau inti bagian akhir dari stator. Jika kondisi ini terus menerus, tidak tertutup kemungkinan winding tersebut bisa rusak akibat panas dari inti stator. Pada kesimpulannya, generator sudah memiliki batas-batas operasi sesuai dengan desain nya. Meskipun operasi normal ada di daerah lagging, namun di Pembangkit, generator harus siap dioperasikan dalam kondisi leading. Oleh karena itu, penting bagi setiap Operator, Maintenance, dan Engineer untuk tetap melihat, mengevaluasi parameter-parameter dan kinerja dari generator, agar umur dari generator dapat dicapai sesuai dengan target umur di Pembangkit. Semoga bermanfaat, Referensi: 1. Capability Curve J.Jackson,“InterpretationandUseofGeneratorReactiveCapabilityDiagrams,”IEEE Transactions on Industry and General Applications, no. 6, pp. 729–732, 1971.



Picture:



Synchronous Generator Curves I: Capability Curve Generator sinkron adalah mesin yang cukup kompleks dengan kapabilitas yang ‘ menarik’. Mesin ini dapat menghasilkan real power (P, [watt]) dan juga menarik/mensuplai reactive power (Q, [VAr]). Dengan demikian mesin ini menjadi sangat mumpuni apabila didukung oleh system control yang baik. Untuk mengetahui behaviour dari generator sinkron, cara paling mudah adalah mengetahui karakteristiknya. Karakteristik generator sinkron umumnya disajikan dalam beberapa kurva, misalkan oper-circuit curve, short-circuit curve, V-curve, dan



capability curve. Kecuali V-curve, biasanya generator besar selalu dilengkapi dengan kurva-kurva tersebut di manual atau datasheet-nya. Pada bagian pertama ini akan dijelaskan Capability Curve terlebih dahulu. Bagian ini akan diuraikan bagaimana capability



curve



dibuat



dengan



cukup



detail.



Dengan



mengerti



proses



penyusunannya, pembaca secara tidak langsung akan mengerti informasi apa saja yang terkandung dalam kurva tersebut.



A picture is worth a thousand of words. Setelah membaca tulisan ini, semoga kita dapat menginterpretasikan capability curve dengan lebih baik. Capability Curve (Kurva Kapabilitas): Adalah sebuah kurva yang merepresentasikan limitasi kinerja sebuah mesin listrik (dalam kasus ini adalah generator sinkron), baik itu limitasi internal (efek pemanasan pada lilitan stator dan rotor) maupun limitasi external (prime-mover/penggerak mula, atau yang lain). Secara teknis, kurva ini merupakan plot complex power (S=P+jQ) pada tegangan terminal generator yang konstan. Dengan demikian, untuk operasi yang optimal, generator harus bekerja di dalam area kurva tersebut. Kinerja di luar kurva biasanya masih diizinkan, namun untuk durasi yang sangat singkat. Capability curve disajikan dalam bidang Cartesian (x-y plane). Namun sumbusumbunya tidak menggunakan sumbu x-y, melainkan P-Q (real dan reactive power). Pada saat ini ada 2 macam model dari capability curve:







Model Vertical



Model ini digunakan dengan berlandaskan pada pemodelan ANSI/IEEE Std C50/30. Sumbu x nya adalah P, sedangkan sumbu Y nya adalah Q. Daerah operasi generator sinkron berada pada kuadran I dan IV.







Model Horizontal



Model ini populer di Eropa, UK, Australia dan beberapa negara lain. Sumbu x nya adalah Q, sedangkan sumbu Y nya adalah P. Daerah operasi generator sinkron berada pada kuadran I dan II.



Pada bahasan kali ini, capability curve tipe vertical akan digunakan. Capability curve tipe horizontal adalah sama, hanya peletakan sumbunya saja yang berbeda.



Capability curve dibuat dengan menerapkan limitasi-limitasi agar generator bekerja pada area yang aman. Batasan dalam capability curve: Secara umum,capability curve memiliki beberapa batasan antara lain sebagai berikut: 1) Arus stator (arus jangkar, arus armatur) tidak boleh menyebabkan overheating pada lilitan stator. Dengan demikian, arus stator dalam capability curve harus lebih kecil dari arus stator maksimum. Sudah diketahui bersama dalam persamaan real dan reactive power: P=VI cosφ



 P2=(VI)2 (cosφ)2 Q=VI sinφ  Q2=(VI)2 (sinφ)2 Dengan P : Real power [Watt] Q : Reactive power [VAr] V : Tegangan terminal generator [Volt] I



: Arus stator [A]



φ : Sudut fasa antara gelombang tegangan dan arus P2+ Q2=(VI)2 [(cosφ)2+(sinφ)2] Dengan catatan bahwa jumlah kuadrat fungsi sinus dan cosines adalah 1, maka: P2+ Q2=(VI)2 Dari sini didapatkan batasan pertama capability curve: Daerah operasi generator adalah berada di dalam bidang P-Q, berbentuk lingkaran berpusat di (0,0) dan berjari-jari (VI). Hal ini ditunjukkan dalam gambar 3.



2) Generator adalam mesin elektrik dinamis yang mengubah besaran mekanik dari turbin menjadi listrik. JIka berlaku sebaliknya (generator mengubah daya listrik menjadi daya mekanik, yang artinya generator berubah menjadi motor) maka akan terjadi reverse power dan akan berdampak buruk pada turbin. Maka turbin harus dilindungi dari keadaan tersebut. Namun reverse power misal 0.5% selama beberapa detik masih diizinkan, sesuai dengan desain turbinnya. Dari sini didapatkan batasan kedua capability curve: Daerah membuat overlapping pada batasan pertama, capability curve menyatakan generator hanya akan bekerja pada daerah operasi P positif saja. Hal ini ditunjukkan dalam gambar 4.



3) Arus rotor (arus eksitasi, If) tidak boleh menyebabkan overheating pada lilitan rotor. Dalam bahasan power sending-receiving (Chapter yang membahas serah-terima daya anyata 2 sumber aktif), persamaan real dan reactive power pada batasan (1) di atas tidak relevan untuk



digunakan. Hal ini dapat dilihat pada gambar 5, yang menyatakan bahwa jika ada pertukaran daya antara 2 sumber aktif maka real dan reactive power akan bergantung pada tegangan di kedua ujungnya, impedansi antara keduanya, serta sudut beban ( load angle, power angle, transmission



angle).



Persamaan P dan Q untuk gambar 5 adalah



Dengan melakukan sedikit perubahan matematis maka:



Add caption



Dari sini didapatkan batasan ketiga capability curve: Dengan membuat overlapping pada batasan kedua, dibuat batasan baru sebuah lingkaran berpusat di (0, -V2/X) dengan jari-jari EV/X. Hal ini ditunjukkan dalam gambar 6.



4) Sudut beban harus lebih kecil dari sudut beban maximum agar generator tetap bekerja pada daerah stabilnya. Ini merupakan persamaan linier dasar P=mQ+c dengan gradient adalah tangent sudut beban. Pada kasus ini diambil sudut beban maksimum adalah 90 derajat.



Jika P=0 maka Q=-V2/X Dari sini didapatkan batasan keempat capability curve: Dengan membuat overlapping pada batasan ketiga, dibuat batasan baru sebuah garis dengan titik singgung di (0, -V2/X) dan sudut beban 90 derajat. Hal ini ditunjukkan dalam gambar 7.



5) Pada saat bekerja pada area –Q, maka temperature end-region pada sirkuit magnet stator tidak boleh melebihi nilai maksimumnya. Berkaitan dengan hal ini, belum ada persamaan matematis yang dapat mendeskripsikan secara jelas. Namun pabrikan generator sudah membuat batasan tersebut, misal berdasarkan pengalaman. Dari sini didapatkan batasan kelima capability curve: Dengan membuat overlapping pada batasan keempat, dibuat batasan baru sebuah garis lurus pada area Q-. Hal ini ditunjukkan dalam gambar 8.



Batasan batasan tersebut biasanya digunakan untuk menyusun capability curve. Namun, ada besaran lain yang harus diperhitungkan namun jarang sekali digambarkan pada capability curve.



6) Pada saat generator menghasilan real power, maka real power maksimum yang dikirim bukanlah sebesar desain dari generatornya. Namun nilai real power adalah sebesar daya mekanik yang dihasikan oleh turbin. Dari sini didapatkan batasan keenam capability curve: Dengan membuat overlapping pada batasan kelima, dibuat batasan baru sebuah garis lurus yang samar pada area P+. Hal ini ditunjukkan dalam gambar 9.



7) Pada pembangkit besar, umumnya berbasis thermal missal PLTU batubara, uap yuntuk memutar turbin dihasilkan oleh boiler. Agar pembakaran berlangsung stabil, boiler biasanya memiliki syarat daya minimum yang harus dihasillkan. Selain kestabilan pembakaran, hal ini juga berkaitan dengan efisiensi bahan bakar. Dari sini didapatkan batasan ketujuh capability curve: Dengan membuat overlapping pada batasan keenam, dibuat batasan baru sebuah garis lurus yang samar pada area P+. Hal ini ditunjukkan dalam gambar 10.



Pada umumnya, gambar 8 sudah dipandang cukup. Namun batasan 6 dan 7 perlu pula menjadi sebuah perhatian. Ref: Power system stability and control. Operation of Large Turbogenerator. Electric Machinery Fundamental.