Load & Frekuensi

Load dan Frekuensi

Dasar

Dalam pengoperasian suatu turbin generator, baik gas turbin ataupun steam turbin tidak terlepas dari masalah load dan frekuensi, karena keduanya adalah faktor utama yang saling terkait dalam pengoperasian turbin generator. Ditinjau dari teori dasarnya, proses terbangkitnya energy listrik adalah proses konversi atau perubahan bentuk energy, dari energy mekanik atau putaran atau frekuensi yang terjadi pada turbin, menjadi energy listrik terjadi pada generator. Atau secara singkat dapat dikatakan terjadi proses konversi dari energy mekanis menjadi energy listrik. Adapun terjadinya tegangan  listrik  atau gaya gerak listrik ( ggl ) adalah, karena adanya medan magnet yang dipotong oleh kumparan yang berputar.

E ( ggl ) = L . B. V.sinѳ

                 = L.B.(ωR) sinѳ

                                                                              = L.B (2πfR) sinѳ

B = Flux

V = putaran ( hertz )

                                                                     Torsi generator ( T ) = B.I. L  

Dengan arah melawan torsi turbin

B = flux medan rotor

I = Arus stator

L= Kumparan

Torsi atau torsi generator ini berlawanan arah dengan torsi turbin. Atau secara singkat dapat dikatakan , pada generator berbeban  selain berfungsi sebagai generator, terdapat perilaku motor pada generator tersebut dengan arah putar berlawanan. Pada generator beban nol, torsi generator juga nol. Sedang pada generator berbeban, torsi ini akan berbanding lurus dengan arus generator. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya droop putaran.  Pada system paralel, suatu generator akan menjadi motor jika turbin atau prime mover tidak mampu mensupply energy untuk mempertahankan putaran

                                                      Gambar arah torsi generator berlawanan dg torsi turbin     

                                                                         Gambar generator menjadi motor ( reverse power )

Kerja Paralel                          

Dalam kerja paralel semua generator akan memikul beban dari konsumen dengan kemampuan sesuai kapasitas masing – masing.  Kestabilan frekuensi dan ketersediaan energy listrik adalah parameter utama yang menjadi acuan dalam hal produksi listrik.

•       Pengaturan frekuensi

Untuk mencapai frekuensi ideal, yaitu kestabilan disekitar 50 Hz diperlukan unjuk kerja governor dari turbin generator yang mampu merespon perubahan frekuensi grid.  Dalam designnya  setiap turbin generator akan bereaksi terhadap  perubahan frekuensi grid, dimana turbin akan merespon penurunan frekuensi dengan pembukaan katup bahan bakar ( steam ), kemampuan respon ini dikenal dengan speed droop.  Menurut definisinya speed droop adalah besarnya penurunan frekuensi yang menyebabkan katup bahan bakar atau steam membuka full open. Speed droop dinyatakan dalam :          

                                                                   SD ( % ) =100.(Ns – Nr) /Nr  

SD = Speed droop

Ns = No load speed

Nr = Full load peed

Speed droop suatu turbin generator menentukan tingkat respon suatu generator, dengan besaran tersebut dapat ditentukan tingkat respon dengan skala lebih kecil, karena speed droop bisa juga diartikan sebagai ratio. Misalkan suatu generator mempunyai kapasitas 100 MW dengan speed droop 5%. Ini berarti saat 5% penurunan frekuensi terjadi, maka generator akan mengeluarkan daya listrik maksimum yaitu 100 MW. Maka jika terjadi 0.5% speed droop, generator akan mengeluarkan daya listrik sebesar

                                                        ∆Load =  ∆freq(%) x Kapasitas gen ( MW )

                                                                        SD ( % )

                                                                     = 0.5 x 100 MW

                                                                          5

                                                                     =   10 MW pada droop 0.5%,freq 49.75 Hz

Sedang jika digambarkan dalam kurva frekuensi vs beban ( load ) adalah berupa kemiringan, sehingga bisa dinyatakan dengan persamaan garis miring
                                                              SD   =   .∆freq(%)

                                                                 ∆Load                  

Contoh  generator di atas, persamaan garis miringnya adalah :

                                                      f (X) atau Y = SD.X + c

                                                                         = 0.05.X+c

                                                    

                                                                 Gambar speed droop dalam kurva

Contoh : Jika ada 2 generator paralel dg SD1=5%, SD2=2%, capacity @ 100 MW. Jika beban       paralel naik dari 100 MW (dg initial load masing 2,  50 MW) ke 135 MW. Berapa penurunan frekuensi, berapa pembagian beban tiap generator.

Jawab :

Gen 1; ∆y1 = 0.05∆x1 + c

Gen 2; ∆y2=0.02∆x2 + c

          ∆x1+∆x2 = 35 MW

   ∆x1 = 35-∆x2

∆y1=∆y2

              0.05∆x1+c = 0.02∆x2 + c

 0.05(35-∆x2)= 0.02∆x2

         ∆x2  =  1.75

                        0.07 

               ∆x2   =25 MW

         ∆x1=35-∆x2

        ∆x1=35-25

          ∆x1=10 MW

                                                  Gen 2 ;  ∆y2   =0.02∆x2

                                                               ∆y2   =0.02∆x2

                                                                ∆y2  =0.02.x25          

                                                                            ∆y2  =0.5%

                                                                        ∆y1=∆y2=0.5%

Gambar curve load sharing 2 generator paralel

Pengaturan frekuensi seperti diterangkan di atas adalah pengaturan yang secara individu dilakukan tiap turbin generator, pengaturan tersebut disebut juga dengan pengaturan natural governor.

·        

•               Pengaturan beban

Selain pengaturan frekuensi, dikenal juga pengaturan beban atau dalam istilah yang lebih umum pengaturan beban ini disebut sebagai load limit. Dalam aksinya baik pengaturan kecepatan maupun pengaturan beban, keduanya dilakukan oleh governoor dengan  mekanisme pembukaan katup bahan bakar ( steam ), yang membedakan diantara keduanya adalah referensi atau setting inputnya                                                                  Gambar diagram pengaturan beban dg control PI

Gambar diagram pengaturan frekuensi dg control P

Unit Pengatur beban

Kedua fungsi pengaturan di atas merupakan dasar dari semua pengoperasian turbin generator dalam kondisi synchrone ( on grid ).  Dalam kaitannya dengan jaringan ( grid ) keterlibatan unit pengatur sangatlah diperlukan , ini dikarenakan fungsi pengendalian dalam keadaan on grid lebih kompleks dibanding pengaturan secara natural oleh tiap generator di sisi pembangkit saja. Secara umum fungsi unit pengatur beban  setidaknya mengatur di sisi pembangkit dan penyaluran dengan target kestabilan frekuensi dan ketersediaan beban. Sehingga dalam kondisi on grid semua unit pembangkit dengan turbin generatornya akan membangkitkan daya listrik dengan koordinasi dari unit pengatur beban . Unit pengatur beban mempunyai tingkatan dalam kaitanya dengan pengaturan frekuensi dan beban, yaitu :

·         Primary control

Pengontrolan tingkat pertama, dimana fungsi kendali dilakukan oleh tiap turbin generator, dengan pilihan, mode governor free. Pengontrolan tingkat pertama ini mempunyai tingkat  range amplitude yang besar, dimana respon terjadi sesuai speed droop turbin generator. Tingkat respon dengan primary control adalah : sekitar 50Hz ± 1%. Pada primary control, steady state terjadi di bawah/kurang dari 50 Hz. Dengan respon waktu kurang dari 10 detik.

·         Secondary control

Pada secondary control, tingkat respon waktu action dalam hitungan menit. Untuk steady state akan berada mendekati 50 Hz, yaitu sekitar 50Hz ± 0.2%.  

·         Tertiary control

Tertiary control adalah pengaturan pembebanan tingkat ketiga, yaitu tingkatan dimana pengaturan pembebanan dilakukan pada saat  kondisi steady state telah tercapai, yaitu  setelah aksi primary dan secondary control. Bisa dikatakan tertiary control ini merupakan keadaan final (steady state), karenanya pada tertiary control akan dikeluarkan daya listrik yang steady pula, sehingga dalam kurun waktu tertentu energy listrik terbangkit dapat dihitung besarnya. 

                                                                    E = Daya x waktu   ( MWh )

Oleh karena itu pada tahap ini factor  ekonomi, lingkungan, peralatan menjadi pertimbangan.   

Gambar kurva pengaturan primary, secondary,tertiary

                                                                             

   

                                                                   

·