Kestabilan Keadaan Tetap dalam Sistem Kuasa: Definisi Penyebab dan Kaedah Peningkatan

Definisi Kestabilan Keadaan Tetap

Kestabilan keadaan tetap didefinisikan sebagai kemampuan sistem tenaga listrik untuk mempertahankan kondisi operasi awalnya setelah terjadi gangguan kecil, atau konvergen ke keadaan yang hampir sama dengan kondisi awal jika gangguan berlanjut. Konsep ini memiliki arti penting dalam perencanaan dan desain sistem tenaga, pengembangan perangkat kontrol otomatis khusus, pemasangan komponen sistem baru, dan penyesuaian kondisi operasi.

Penilaian batas kestabilan keadaan tetap sangat penting untuk analisis sistem tenaga, yang mencakup verifikasi kinerja sistem di bawah kondisi keadaan tetap tertentu, menentukan batas stabilitas, mengevaluasi proses transien secara kualitatif, dan menilai faktor-faktor seperti jenis sistem eksitasi dan kontrolnya, mode kontrol, serta parameter sistem eksitasi dan otomatisasi.

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

Dalam analisis sistem tenaga, semua mesin dalam segmen tunggal dianggap sebagai satu mesin besar yang terhubung di titik tersebut—bahkan jika 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 fasa—dengan asumsi tegangan yang digunakan adalah tegangan fasa dalam volt.

Alasan Ketidakstabilan Sistem

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

Seiring torsi penghambat mengurangi kecepatan motor, sudut fase antara tegangan internal motor dan tegangan sistem meningkat hingga daya input listrik sama dengan daya output plus kerugian.

Selama interval transien ini, karena daya input listrik motor kurang dari beban mekanis, kelebihan daya yang dibutuhkan diambil dari energi tersimpan dalam sistem rotasi. Motor bergetar di sekitar titik kesetimbangan 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 menggambarkan 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 daya output yang tidak cukup.

Kelebihan daya akan kemudian disediakan oleh energi tersimpan sistem rotasi, menyebabkan penurunan kecepatan. Seiring defisit daya semakin besar, sudut secara bertahap menurun hingga motor berhenti.

Untuk setiap δ yang diberikan, perbedaan antara daya yang dihasilkan oleh motor dan generator sama dengan kerugian garis. Jika resistansi dan admittansi shunt garis dapat diabaikan, daya yang ditransfer antara alternator dan motor dapat dinyatakan sebagai berikut:

Di mana, 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 Keadaan Tetap

Daya maksimum yang ditransfer antara alternator dan motor secara langsung proporsional dengan produk gaya gerak listrik (EMF) internal mereka dan berbanding terbalik dengan reaktansi garis. Batas stabilitas keadaan tetap 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 mereka. Selain itu, EMF internal yang lebih tinggi mengurangi sudut beban (δ).

• Mengurangi reaktansi transfer
  Reaktansi transfer dapat dikurangi dengan:

• Menambah garis transmisi paralel antara titik koneksi;

• Menggunakan konduktor bundel, yang mengurangi reaktansi garis;

• Memasukkan kapasitor seri di garis.

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