Selamat Datang di Jendela Den Ngabei. Download artikel dengan memberi komentar pada Ngabei Comment Box... pada halaman Unduh Artikel. 1 KLIK DOWNLOAD = Rp 1,-, uang yang sudah terkumpul akan disumbangkan untuk biaya buku siswa SD di tempat KKN saya, desa Ngargosari. Indonesia Jaya..!!. Blog ini berisikan tentang sistem tenaga listrik mulai dari pembangkitan, transmisi, distribusi, pemanfaatan energi listrik, hingga pengalaman praktis. Semoga bermanfaat..

Selasa, 20 November 2012

Flexible AC Transmission System (FACTS)


Flexible AC Transmission System
 Pengoperasian sistem jaringan transmisi daya listrik kini telah memasuki era baru. Dalam tahapan baru ini, transmisi daya listrik tidak hanya akan menjadi lebih terjamin dan lebih terkendali dalam pengaturannya, tetapi juga akan menjadi jauh lebih efisien dalam pemanfaatannya. Peningkatan pesat ke arah pemanfaatan sistem jaringan transmisi listrik secara optimal ini dimungkinkan dengan keberadaan dan semakin dewasanya aplikasi teknologi dibidang elektronika daya pada khususnya dan teknologi semikonduktor pada umumnya.

Teknologi kendali terbaru untuk transmisi daya listrik ini populer dengan sebutan FACTS singkatan dari Flexible AC Transmission System dan pertama kali dikembangkan oleh Electric Power Research Institute (EPRI) di Palo Alto negara bagian California di Amerika Serikat. Pada awal pengembangannya, teknologi FACTS ditujukan untuk menjawab permasalahan dalam peningkatan kapasitas pengaliran daya listrik pada sistem jaringan transmisi dan juga untuk menyediakan peralatan kendali daya listrik yang terpercaya pada jalur transmisi yang diinginkan.

Latar belakang
Pengendalian sistem daya listrik bolak-balik (AC) telah dikenal sebagai hal yang kompleks. Ini disebabkan oleh perubahan secara terus menerus antara medan magnit dan medan listrik. Bergeraknya arus listrik pada satu transmisi tidak hanya dipengaruhi oleh keberadaan tahanan tetapi juga dari induktansi dan kapasitansi di sepanjang transmisi tersebut. Kombinasi dari ketiga hal inilah yang dikenal dengan istilah impedansi. Selain daripada itu, pada jaringan transmisi listrik AC, daya listrik mengalir dari ujung transmisi dengan voltase fasa leading ke ujung yang lain yang bervoltase fasa tertinggal (lagging). Besarnya daya listrik yang mengalir pada suatu transmisi akan bertambah dengan semakin besarnya perbedaan sudut fasa antara kedua voltase tersebut.

Konsekuensinya, penambahan aliran daya listrik suatu transmisi dengan demikian dapat dilakukan dengan tiga cara: menaikan voltase, menambah selisih sudut antara dua ujung transmisi atau dengan pengurangan impedansi dari transmisi. Teknologi FACTS inilah yang kemudian dikembangkan dengan salah satu tujuan untuk menyediakan peralatan yang fleksible dalam pengaturan atau pengendalian ketiga parameter aliran daya listrik tersebut.

Dengan pengaturan dan pengendalian yang fleksibel ini maka harapan untuk memaksimalkan kapasitas transmisi pada tingkat batas panas (thermal rating) akan terwujud. Untuk menyadari pentingnya batas panas ini, sebagai contoh di Amerika Serikat, untuk transmisi daya listrik pada jaringan transmisi 500 kV biasanya diberi batas beban (loading limit) sekitar 1000-2000 MW untuk pengoperasian yang aman, walaupun batas panas (thermal rating) dari jaringan transmisi itu sendiri bisa mencapai 3000 MW.

Selain daripada itu, ada dua hal lain yang juga merupakan permasalahan pada sistem jaringan transmisi listrik bolak balik (AC). Yang pertama adalah keberadaan daya reaktif (reactive power) yang membawa dampak negatif terhadap sistem jaringan transmisi daya listrik. Sebagai contoh, daya reaktif ini dapat mengakibatkan kelebihan beban dan voltage sags pada sistem transmisi. Dengan latar belakang ini pula, maka beberapa alat FACTS dirancang untuk menjawab persoalan daya reaktif ini. Permasalahan transmisi listrik AC berikutnya adalah berhubungan dengan keberadaan sistem listrik AC yang sensitif terhadap hal hal yang dapat mengganggu kestabilan sistem. Sebagai contoh adalah dengan terjadinya subsynchronous resonance (SSR). Pada SSR arus listrik AC yang mengalir pada transmisi mengandung komponen frekuensi rendah yang telah terbukti dapat mengakibatkan kerusakan pada generator misalnya. Ini juga yang menjadi satu alasan dikembangkannya beberapa peralatan FACTS yang dapat difungsikan sebagai peredam (damper) dari komponen frekuensi rendah ini.

FACTS Sebagai Istilah Baru
Pada dasarnya, FACTS adalah kumpulan peralatan yang dibuat dari komponen elektronik solid state untuk pengaturan atau pengendalian transmisi daya listrik secara fleksible. Sampai saat ini telah terdapat sekitar dua belas macam peralatan FACTS yang memiliki fungsi masing masing. Dari jumlah ini, beberapa masih dalam tahap pengembangkan sedangkan beberapa lagi telah dipasang diberbagai lokasi jaringan transimisi di Amerika Serikat dengan hasil yang memuaskan. Pada akhirnya nanti, peralatan FACTS ini diharapkan untuk dapat menggantikan peralatan kendali daya listrik mekanik yang saat ini umum dipasang pada jaringan transmisi listrik seperti misalnya pemutus rangkaian (circuit breakers), perubah tegangan variabel (transformer tap changers), kapasitor muka (shunt capacitor switches) dan lainnya.

FACTS dalam pengembangannya sangat erat sekali hubungannya dengan pengkajian aplikasi Thyristor untuk elektronika daya. Dengan pemanfaatan peralatan kendali elektronika daya tersebut, maka FACTS akan sangat diminati karena menyediakan banyak kelebihan dibandingkan dengan peralatan kendali mekanik. Keuntungan alat kendali elektronik seperti misalnya waktu reaksi yang berkecepatan tinggi dibandingkan dengan waktu reaksi dari peralatan kendali mekanik. Sebagai gambaran, FACTS dapat mengubah arah atau jalur daya listrik dalam waktu kurang dari satu cycle. Dengan kecepatan reaksi yang tinggi ini berarti FACTS dapat juga menyediakan fungsi lainnya yang tidak mungkin didapatkan pada alat kendali mekanik, seperti misalnya fungsi untuk mengatasi gangguan peralihan (transient disturbance) pada jaringan transmisi.

Selain dari itu, peralatan kendali mekanik pada umumnya menjadi aus (wear out) sehingga penggunaannya pun perlu dibatasi. Sebagai contoh, transformer yang dipakai untuk mengkompensasi beban yang berubah (shifting load) biasanya hanya dibatasi kurang dari 12 kali perubahan pada tap nya dan memakan waktu lebih dari satu menit (banyak cycle) untuk setiap perubahan. Dilain pihak, FACTS mampu melakukan fungsi yang sama dengan kecepatan 2 kali perubahan dalam satu cycle.

FACTS dapat memanfaatkan jaringan transmisi daya listrik secara fleksibel pada tingkat yang dekat dengan batas panas (thermal limit) transmisi secara aman dengan menghindari kemungkinan terjadinya kelebihan beban (overloading). Hal ini sangat penting karena akan menambah kapasitas penyediaan daya listrik pada jaringan transmisi yang sama. Dengan demikian, FACTS akan menghemat banyak biaya untuk penambahan penyediaan daya listrik karena menghindari pembangunan jaringan transmisi baru.

Keuntungan ekonomi lain dari pengoperasikan jaringan transmisi pada batas panas ini adalah dengan dapat diturunkannya generation reserve margin yang biasanya disediakan untuk keperluan cadangan (back up). Dengan peralatan FACTS, generation reserve margin dapat dikurangi dari 18% menjadi kurang dari 15%. Selisih dari penurunan tersebut tentunya berarti peningkatan efisiensi penggunaan daya listrik yang disediakan oleh generator dan secara bersamaan akan berarti pula penambahan penyediaan kebutuhan daya listrik.

Jenis Peralatan dan Prinsip Kerja FACTS
Perkembangan teknologi FACTS telah mengalami dua generasi. Generasi pertama menghasilkan dua jenis peralatan. Alat pertama diberi nama Static Var Compensator (SVC) yang sudah diimplementasikan pada jaringan transmisi listrik semenjak pertengahan tahun 70-an. SVC berfungsi sebagai pemelihara kestabilan kondisi steady state dan dinamika voltase dalam batasan yang sudah ditentukan pada jaringan transmisi berjarak jauh dan berbeban tinggi (heavily loaded). Fungsi SVC diperoleh dengan menggunakan thyristor yang secara cepat dapat menghubungkan atau memutuskan induktor ataupun kapasitor pada jaringan transmisi.
Namun kekurangannya, alat ini tidak dapat dipergunakan sebagai alat pengendali aliran daya listrik aktif (active power) yang sangat vital dalam sistem jaringan transmisi listrik AC. Lain dari itu, SVC juga didapati sangat rendah efisiensinya jika terjadi turunnya voltase dari transmisi secara drastis. Demonstrasi pertama pemasangan SVC dilaksanakan tahun 1978 pada jaringan transmisi 115kV Minnesota Power & Light dan telah berhasil menunjukkan perbaikan kendali stabilisasi dan voltase pada jaringan transmisi tersebut. 

Gambar dibawah menunjukkan contoh dari topologi SVC.

Static VAR Compensator



Alat berikutnya yang dikembangkan pada generasi pertama diberi nama NGH-SSR (Narain G. Hingorani – SubSynchronous Resonance) Damper. Alat ini dirancang untuk mengatasi permasalahan subsynchronous resonance (SSR) yang ditemukan pada jaringan transmisi listrik AC. Jaringan transmisi 500 kV Southern California Edison dijadikan tempat pemasangan pertama dari alat ini pada tahun 1980-an setelah SSR mengakibatkan kerusakan fatal pada salah satu generatornya.

NGH-SSR seperti yang ditunjukan gambar 2 juga terdiri dari thyristor yang dihubungkan dengan induktor dan tahanan secara seri. Alat inilah yang kemudian menjadi cikal bakal dari salah satu alat yang dikembangkan dalam generasi kedua FACTS yaitu alat yang dikenal dengan nama Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC).

SubSynchronous Resonance



Semakin berkembangnya teknologi dibidang pembuatan Thyristor mendorong terciptanya generasi kedua dari FACTS. Pada generasi kedua beberapa peralatan FACTS baru telah dikembangkan. Pertama adalah alat yang diberi nama Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC) yang berfungsi sebagai pengendali impedansi dari jaringan transmisi. Seperti diketahui, impedansi sepanjang jaringan transmisi umumnya bersifat induktif sedangkan yang bersifat resistif hanya berkisar 5 sampai 10 persen.

Ini berarti akan terasa sangat besar manfaatnya apabila kita mampu mengendalikan impedansi transmisi yang bersifat induktif pada kondisi stabil (steady state impendance). Hal ini dapat ditempuh dengan cara penambahan kapasitor dan induktor secara seri. Penghubungan kapasitor secara seri akan berakibat pengurangan impedansi pada transmisi sedangkan penghubungan induktor secara seri akan berarti penaikan impedansi pada transmisi yang sama.

Gambar 3 menunjukkan contoh dari TCSC yang telah dipasang pada jaringan transmisi 500kV milik Bonneville Power Administration (BPA) dinegara bagian Oregon. Studi kasus pemasangan TCSC yang telah dilaksanakan oleh Electric Power Research Institute (EPRI) pada satu jaringan transmisi menunjukkan bahwa TCSC berhasil meningkatkan kuantitas aliran daya (dalam MW) sebanyak 30% dengan sekaligus menjaga stabilitas sistem jaringan transmisi tersebut. Hal ini yang mengakibatkan pemasangan TCSC, menurut studi kasus pada jaringan transmisi tersebut, akan memberikan keuntungan sebesar kurang lebih $68 juta US dolar setiap tahunnya.

Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC)
 

Alat yang kedua diberi nama Static Condenser (STATCON) dan berfungsi sebagai penyedia Volt Amp Reactive (VAR) untuk menjaga kestabilan voltase pada jaringan transmisi yang panjang dan berbeban tinggi (heavily loaded). Pada akhirnya nanti, STATCON diharapkan untuk dapat menggantikan pemakaian alat Rotating Synchronous Condensers yang kini umum dipasang. STATCON adalah alat FACTS pertama yang menggunakan tipe thyristor berbeda dari peralatan FACTS sebelumnya. Jenis thyristor yang dipakai adalah jenis GTO (Gate Turned-Off).

Pada dasarnya, STATCON adalah alat yang berbasis inverter tiga fasa yang dihasilkan oleh voltase satu arah (dc) dari kapasitor seperti yang diilustrasikan oleh Gambar 4. Pada gambar tersebut, jika voltase V0 lebih tinggi (atau lebih rendah) dari pada voltase sistem transmisi V, maka selisih sudut fasa dari kedua voltase tersebut akan menentukan jumlah arus listrik yang mengalir serta arus listrik akan menjadi lead (atau lag). Dengan jalan demikian, maka daya reaktif beserta arahnya pada sistem transmisi akan dapat dikendalikan secara cepat dan berkelanjutan (continuous).

Dua contoh studi kasus pemasangan STATCON di Amerika Serikat telah dilaksanakan dengan hasil yang memuaskan. Percobaan pertama adalah pemasangan 1 Mvar STATCON pada jaringan transmisi milik Orange & Rockland Utilities Inc di negara bagian New York pada tahun 1989. Sedangkan studi kasus berikutnya adalah pemasangan 100-Mvar STATCON pada tahun 1995 di jaringan transmisi Sullivan milik Tennessee Valley Authority (TVA) di negara bagian Tennessee.

Static Condenser (STATCON)
 

Selanjutnya adalat alat FACTS yang disebut TCPR kependekan dari Thyristor Controlled Phase angle Regulator. Fungsi dari alat ini tidak lain adalah sebagai pengendali selisih sudut fasa pada voltase dari kedua ujung jaringan transmisi yang sama. Fungsi tersebut dimungkinkan dengan cara penyuntikan voltase secara seri pada jaringan transmisi listrik. Gambar 5 menunjukkan konsep dari TCPR ini. Penambahan sudut fasa a pada voltase transmisi V dicapai dengan cara menambahkan voltase Vq yang tegak lurus terhadap V.

Voltase Vq sendiri dihasilkan dari voltase sekunder dari transformer yang dihubungkan ke dua fasa dari sistem transmisi tiga fasa ini. Percobaan pemasangan TCPR telah dilaksanakan dengan sukses diberbagai lokasi jaringan transmisi di Amerika Serikat. Salah satu contoh adalah pemasangan TCPR di jaringan transmisi 230 kV milik Minnesota Power yang telah terbukti mampu menghasilkan selisih sudut fasa dengan sangat cepat.

Thyristor Controlled Phase Angle Regulator


Alat selanjutnya adalah konsep lain dari pengaturan selisih sudut fasa seperti pada TCPR. Alat ini diberi nama Unified Power Flow Controller (UPFC) yang mana perancangannya berbasis inverter dengan menggunakan thyristor. Sebagaimana diilustrasikan pada gambar 6, pada UPFC, vektor voltase Vpq yang dihasilkan oleh inverter disuntikkan secara seri ke jaringan transmisi. Voltase searah (dc) yang digunakan inverter ini didapatkan dari hasil penyearah (rectification) voltase dari transmisi yang sama.

UPFC merupakan alat kendali daya aktif dan daya reaktif secara terpisah pada trasmisi listrik dan dapat dipasang pada ujung pengirim maupun penerima daya. Lebih penting lagi, UPFC juga merupakan alat pengendali daya yang sangat fleksibel karena dapat menggunakan salah satu ataupun kombinasi parameter dasar dari sistem aliran daya yaitu voltase transmisi, impedansi transmisi, dan selisih sudut fasa transmisi.

Hal ini merupakan suatu keuntungan karena dengan pemasangan satu UPFC yang dapat mengendalikan ketiga parameter tersebut, maka tidak hanya sistem jaringan transmisi akan menjadi lebih baik, tetapi juga akan menjadi lebih murah dan mudah dalam pemeliharaan dan pengoperasiannya. Dengan kata lain, pemasangan satu UPFC akan sama halnya dengan pemasangan alat TCSC, STATCON dan TCPR secara bersamaan. Studi kasus terhadap UPFC, baik itu dalam skala besar maupun kecil telah berhasil dilaksanakan.

Sebagai contoh, 1060 MVA UPFC telah dipasang pada jaringan transmisi 500 kV yang menghubungkan kota Phoenix (negara bagian Arizona) dengan kota Las Vegas (negara bagian Nevada) dan kota Los Angeles (negara bagian California). Gangguan tiga fasa pada satu titik di jaringan tersebut disimulasikan untuk menginvestigasi reaksi UPFC dan peralatan konvesional.

Hasil simulasi menunjukkan UPFC memberikan reaksi lebih stabil dibandingkan dengan reaksi peralatan konvesional. Voltase dari transmisi menunjukkan lebih kurang osilasinya dengan menggunakan UPFC dibandingkan pemasangan peralatan lama. Dengan demikian, UPFC merupakan alat yang dapat dihandalkan untuk pengendalian aliran daya listrik dengan sekaligus menjaga kestabilan sistem jaringan transmisi itu sendiri.

Unified Power Flow Controller


Beberapa peralatan FACTS lainnya yang juga dikembangkan adalah TCBR, TCSR, dan TCVL. TCBR adalah singkatan dari Thyristor Controlled Braking Resistor yang dapat menjadi alternatif yang compact dan murah dari penggunaan Mechanically Switched Braking Resistor yang saat ini umum digunakan. Pemasangan braking resistor dekat unit pembangkit sangat diperlukan untuk mencegah terjadinya percepatan pada generator setelah terjadinya pemutusan beban (loss of load) pada transmisi. Direncanakan sebelum tahun 2000 an nanti, alat TCBR ini akan mencapai tahap penyelesaian.

Yang berikutnya adalah TCSR singkatan dari Thyristor Controlled Series Reactor yang dapat digunakan pada jaringan transmisi yang membutuhkan pengurangan beban dengan cepat dan pembatasan dari arus gangguan (fault). Alat ini dapat pula digunakan bersama TCSC pada jaringan transmisi yang memerlukan kompensasi induktif seri yang tinggi. Rancangan alat ini telah dilaksanakan pada pertengahan dekade 90-an. Terakhir adalah Thyristor Controlled Voltage Limiter berfungsi sebagai pembatas kelebihan voltase (over voltage) selama selang waktu yang relatif cukup lama yang dapat merusak peralatan pada jaringan transmisi. Sebagaimana halnya dengan TCSR, rancangan alat ini juga dimulai sekitar pertengahan dekade 90-an.


Kesimpulan
Fleksibel adalah merupakan keuntungan utama yang menjadikan FACTS sebagai teknologi baru yang sangat menarik untuk kendali aliran daya listrik pada sistem transmisi. Namun perlu diingat, bahwa yang membuat FACTS menjadi teknologi aliran daya listrik masa depan adalah karena kemampuannya untuk memberikan kemudahan dan kelebihan yang tidak didapatkan dari peralatan aliran daya listrik mekanik.

Kemudahan dan kelebihan yang dimaksud mencakup hal peningkatan kualitas dan kapasitas jaringan transmisi listrik baik itu dari segi pemeliharaan maupun pengoperasian. Dengan FACTS, jaringan transmisi listrik akan lebih terjamin kestabilannya, lebih aman dari gangguan, dan yang paling penting adalah lebih meningkatnya tingkat efisiensi dari pemakaian jaringan transmisi yang tentunya memberi keuntungan ekonomi karena meningkatnya kapasitas aliran daya listrik tanpa membuat jaringan transmisi baru.

Keuntungan ekonomi yang lain juga didapatkan karena FACTS adalah peralatan yang berbasis elektronik sehingga selain reaksinya cepat, juga akan lebih terpercaya dan tahan lama dibandingkan dengan peralatan yang berbasis mekanik.

Hambatan yang dihadapi dalam pengembangan peralatan FACTS berhubungan dengan penggunaan thyristor jenis GTO yang mana harganya masih lebih mahal dari thyristor jenis biasa.

Penelitian dan pengembangan ke arah pembuatan jenis thyristor yang lebih unggul dan murah dari GTO telah berjalan dan menghasilkan jenis thyristor baru yang diberi nama MOS Controlled Thyristor (MCT). Walaupun belum ada peralatan FACTS yang menggunakan MCT, namun sudah dapat diperkirakan bahwa peralatan FACTS generasi berikutnya kemungkinan besar akan mengganti fungsi GTO dengan MCT tersebut.
  

Sumber :
- http://www.forumbebas.com/
- http://www.elektroindonesia.com/

Sumber Gambar :
- www.forumbebas.com
- www.elektroindonesia.com
- spoonsenergymatters.wordpress.com

Tidak ada komentar:

Ngabei Comment Box...

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...