Kestabilan Keadaan Stasioner dalam Sistem Tenaga: Definisi Penyebab dan Metode Perbaikan

Definisi Stabilitas Kondisi Steady State

Stabilitas kondisi steady state didefinisikan sebagai kemampuan sistem tenaga listrik untuk mempertahankan kondisi operasi awal setelah terjadi gangguan kecil, atau untuk konvergen ke kondisi yang hampir sama dengan kondisi awal jika gangguan berlanjut. Konsep ini memiliki signifikansi kritis dalam perencanaan dan desain sistem tenaga, pengembangan perangkat kontrol otomatis khusus, komisioning komponen sistem baru, dan penyesuaian kondisi operasi.

Penilaian batas stabilitas steady state penting untuk analisis sistem tenaga, yang mencakup verifikasi kinerja sistem di bawah kondisi steady state tertentu, menentukan batas stabilitas, evaluasi kualitatif proses transien, dan evaluasi faktor-faktor seperti jenis sistem eksitasi dan kontrolnya, mode kontrol, serta parameter sistem eksitasi dan otomasi.

Persyaratan stabilitas ditentukan oleh batas stabilitas, kualitas energi listrik di bawah kondisi steady state, dan kinerja transien. Batas stabilitas steady state merujuk pada aliran daya maksimum melalui titik tertentu dalam sistem yang dapat dipertahankan tanpa memicu instabilitas saat daya secara bertahap ditingkatkan.

Dalam analisis sistem tenaga, semua mesin dalam satu segmen diperlakukan sebagai satu mesin besar yang terhubung di titik tersebut—meskipun mereka tidak langsung terhubung ke bus yang sama dan dipisahkan oleh reaktansi yang signifikan. Sistem skala besar biasanya diasumsikan memiliki tegangan konstan dan dimodelkan sebagai bus tak terhingga.

Pertimbangkan sistem yang terdiri dari generator (G), garis transmisi, dan motor sinkron (M) yang berfungsi sebagai beban.

Ekspresi di bawah ini memberikan daya yang dihasilkan oleh generator G dan motor sinkron M.

Ekspresi di bawah ini memberikan daya maksimum yang dihasilkan oleh generator G dan motor sinkron M

Di sini, A, B, dan D mewakili konstanta umum mesin dua ujung. Ekspresi di atas menghasilkan daya dalam watt, dihitung per fase—dengan asumsi tegangan yang digunakan adalah tegangan fase dalam volt.

Alasan Ketidakstabilan Sistem

Pertimbangkan motor sinkron yang terhubung ke busbar tak terhingga, beroperasi pada kecepatan konstan. Daya inputnya sama dengan daya output ditambah kerugian. Jika beban poros terkecil ditambahkan ke motor, daya output motor meningkat sementara daya inputnya tetap tidak berubah. Ini menciptakan torsi pengereman bersih, menyebabkan kecepatan motor turun secara sementara.

Saat torsi pengereman mengurangi kecepatan motor, sudut fase antara tegangan internal motor dan tegangan sistem meningkat hingga daya input listrik sama dengan daya output ditambah kerugian.

Selama interval transien ini, karena daya input listrik motor kurang dari beban mekanis, kelebihan daya yang dibutuhkan diambil dari energi yang tersimpan dalam sistem rotasi. Motor berayun di sekitar titik keseimbangan dan akhirnya mungkin berhenti atau kehilangan sinkronisasi.

Sistem juga kehilangan stabilitas ketika beban besar diterapkan atau ketika beban diterapkan terlalu cepat ke mesin.

Persamaan di bawah ini mendeskripsikan daya maksimum yang dapat dihasilkan motor. Beban maksimum ini hanya dapat dicapai ketika sudut daya (δ) sama dengan sudut beban (β). Beban dapat meningkat hingga kondisi ini terpenuhi; di luar titik ini, peningkatan beban lebih lanjut akan menyebabkan mesin kehilangan sinkronisasi karena output daya yang tidak cukup.

Kelebihan daya tersebut akan disuplai oleh energi yang tersimpan dalam sistem rotasi, menyebabkan penurunan kecepatan. Seiring pertumbuhan defisit daya, sudut secara bertahap berkurang hingga motor berhenti.

Untuk setiap δ tertentu, selisih antara daya yang dihasilkan oleh motor dan generator sama dengan kerugian garis. Jika resistensi dan admittance shunt garis dapat diabaikan, daya yang ditransfer antara alternator dan motor dapat dinyatakan sebagai berikut:

Dimana, X – reaktansi garis

• V_G – tegangan generator

• V_M – tegangan motor

• δ – Sudut Beban

• P_M – Daya motor

• P_G – Daya motor

• P_max – daya maksimum

Metode untuk Meningkatkan Batas Stabilitas Kondisi Steady State

Daya maksimum yang ditransfer antara alternator dan motor sebanding dengan hasil kali gaya elektromotif (EMF) internal mereka dan berbanding terbalik dengan reaktansi garis. Batas stabilitas steady state dapat ditingkatkan melalui dua pendekatan utama:

• Meningkatkan eksitasi generator, motor, atau keduanya
  Peningkatan eksitasi meningkatkan EMF internal mesin, yang pada gilirannya meningkatkan daya maksimum yang ditransfer antara keduanya. Selain itu, EMF internal yang lebih tinggi mengurangi sudut beban (δ).

• Mengurangi reaktansi transfer
  Reaktansi transfer dapat dikurangi dengan:

• Menambahkan garis transmisi paralel antara titik koneksi;

• Menggunakan konduktor bundel, yang mengurangi reaktansi garis;

• Memasukkan kapasitor seri di garis.

Kapasitor seri utamanya digunakan di garis tegangan ekstra tinggi (EHV) untuk meningkatkan efisiensi transfer daya dan lebih ekonomis untuk jarak lebih dari 350 km.