Penggunaan Flywheel Energy Storage System sebagai Strategi Kontrol untuk Beban yang Sangat Fluktuatif pada Jala-jala Terisolasi

Judul tulisan saya ini mungkin mengingatkan teman2 sekalian dengan model judul2 sebangsa paper, skripsi, thesis dkk. Tidak perlu mengerutkan kening dulu, disini saya tulis ulang paper saya dalam bahasa “manusia“, bahasa yang lebih dimengerti oleh kita2 hehe..

Kenapa Ada Sistem Tenaga Listrik yang Terisolasi..

Di dunia ini, banyak daerah pedalaman atau sebuah pulau terpencil, yang tidak terhubung dengan grid/STL yang besar. Alasan utama kenapa tidak dikonek biasanya karena pertimbangan ekonomis. Bayangkan saja misalnya, berapa biaya yang dibutuhkan untuk menggelar kabel laut dari pulau Karimun Jawa, jika ingin kita hubungkan dengan Tanjung Jati/Jepara di pulau Jawa. Contoh lain adalah STL terisolasi di daerah pertambangan seperti di Freeport, Papua. Di daerah tambang seperti itu, bebannya cukup tinggi, namun dipasok dari pembangkit listrik lokal yang ada disitu, tidak dipasok dari grid.

Permasalahan di Isolated Grid..

STL di jala2 terisolasi biasanya menggunakan pembangkit listrik dengan biaya operasi mahal, seperti mesin diesel dan turbin gas. Untuk mengurangi operational cost, biasanya orang berpikir menggunakan pembangkit listrik dari sumber energi terbarukan (renewable energy sources/RES). Sayangnya RES ini bukan tanpa persoalan. Energi listrik dari sumber energi terbarukan menyimpan masalah2 yang sering tidak diketahui oleh orang awam.

Permasalahan pertama adalah ketidakstabilan energi listrik yang dihasilkan dari RES. Contoh yang paling jelas adalah turbin angin. Permasalahan kedua, baik pembangkit dari sumber konvensional maupun RES, kadang tidak mampu mengikuti fluktuasi beban yang sangat dinamis, jika hal ini terjadi di sistem yang terisolasi. Rule of thumb bagi RES adalah pembangkit RES konsentrasinya tidak boleh terlalu besar karena akan mengganggu  kestabilan sistem. Australia bahkan cuma memproyeksikan pembangkit dengan RES maksimal di angka 20% saja. PSS (Power System Stabilizer) biasanya juga tidak ada di sistem kecil yang terisolasi.

Contoh Kasus: STL di sebuah Tambang Batubara

Pada ilustrasi di atas, sistem ini tidak membutuhkan Flywheel Energy Storage System (FESS) jika tidak ada beban berupa Dragline. Dragline adalah alat berat yang biasa dipakai di surface mining. Jika Dragline dioperasikan, maka frekuensi akan sangat goncang jika tidak distabilkan oleh FESS. Aplikasi flywheel ini sendiri sebenarnya juga sudah lama dikenal di generator2 hidro. Perbedaannya, FESS sekarang banyak dikombinasikan dengan peralatan elektronika daya seperti inverter, capacitor berikut controller2-nya.

Sistem ini dimodelkan dengan VisSim menjadi sbb:

 

Hasil Simulasinya..

Dari hasil simulasi ini terlihat bahwa FESS melepas energi ketika beban (Dragline) menyerap energi secara drastis. FESS menyerap energi ketika Dragline tidak terlalu berbeban. Mungkin ada pertanyaan, apa keunggulan FESS dalam kasus ini dibanding pengaturan frekuensi secara konvensional. FESS punya kelebihan dalam hal kecepatannya dalam menyerap dan melepas energi. Mekanisme penyimpanan energi sebenarnya ada beberapa metode (capacitor, batere, PLTA Pompa, dll) dengan kelebihan dan kekurangannya. FESS dalam hal ini diyakini akan mampu meningkatkan penetrasi pembangkit dengan RES sampai dengan 33%.

Listrik di Vietnam (EVN)

Penulis berkesempatan mengikuti pertemuan HAPUA ke-10 di Jakarta beberapa waktu yang lalu. Dalam pertemuan ini, pengelola kelistrikan di negara2 ASEAN bertemu membahas kerjasama kelistrikan. Yang menarik, kita dapat mengetahui isu2 aktual dan kondisi kelistrikan di negara2 ASEAN. Disini kita akan melihat bagaimana sih kelistrikan di negara tetangga, misalnya di Vietnam. Vietnam, seperti di Indonesia, masih menganut regulated system dalam mengelola kelistrikannya. PLN-nya Vietnam bernama EVN (Vietnam Electricity).

Dalam pesan yang disampaikan oleh Dao Van Hung, Chairman of Management Board EVN pada buklet EVN, sistem tenaga listrik Vietnam saat ini beroperasi dalam kondisi penuh tekanan. EVN harus bisa melayani pertumbuhan GDP yang tinggi (8.48% di tahun 2007) dan beban puncak mencapai 13000 MW sedang kapasitasnya hanya 11000 MW. Yang terjadi adalah power shortage atau pemadaman pada saat beban puncak.

EVN meramalkan pertumbuhan listrik 17%/tahun sehingga membutuhkan kapasitas terpasang sampai 33000 MW sampai dengan tahun 2015. Investasi yang dibutuhkan mencapai VND 850000 milyar. EVN mempertimbangkan untuk membangun transmisi di atas 500 kV dan pembangkit listrik thermal dengan skala sampai 4000 MW. Alhasil, EVN harus mencari sumber2 pembiayaan untuk ini. Problem yang dihadapi seperti tingkat inflasi yang tinggi, kebijakan uang ketat oleh pemerintah menjadi tantangan yang tidak mudah.

Tantangan lain muncul dari kenaikan harga2 material yang sangat tajam, kesulitan finansial dan jatuhnya bursa saham menyebabkan kurangnya modal investasi. Dalam semester pertama 2008, setidaknya ada 14 proyek pembangkit hidro dan thermal yang sudah dalam tahap konstruksi yang tidak dapat dilanjutkan karena kekurangan modal. EVN kemudian memobilisasi ekuitasnya, secara aktif bekerja sama dengan bank dalam dan luar negeri dan institusi pendanaan yang lain agar proyek2 baru tersebut dapat tetap berjalan. Selain itu Vietnam juga mengimpor listrik dari China untuk meningkatkan suplai listrik di negara itu. EVN juga menghimbau pelanggan2nya untuk melakukan hemat pemakaian listrik untuk membantu mengatasi power shortage.

Dari pemaparan ini, terlihat kondisi kelistrikan di negara ini tipikal dengan kondisi kelistrikan negara2 berkembang, termasuk Indonesia. Sistem pasar kelistrikan yang tersentralisasi membuat negara dibebani oleh kewajiban penyediaan listrik, yang biasanya selalu tertinggal dengan demand yang ada. Dilihat dari rugi2 listrik, sistem di Vietnam masih di atas 10% di tahun 2007. Implikasinya, indeks keandalan lainnya biasanya akan mengikuti, seperti ENS (energy not served), LOLP (lost of load probability), SAIDI, SAIFI tidak lebih baik dari sistem di Indonesia.

Load Frequency Control

Minggu yang lalu penulis berkesempatan mengunjungi Java Control Center di P3B Gandul, Cinere, Jakarta. Disana penulis mendapat penjelasan mengenai frekuensi sistem. Seperti yang sudah kita ketahui, jika tegangan v banyak dipengaruhi (dikendalikan) oleh daya reaktif Q (MVAR), maka frekuensi f dipengaruhi oleh daya nyata P (MW).

JCC sendiri fungsi utamanya menurut Sakya dkk:

- Mengendalikan dan memonitor jaringan 500 kV.

- Mengendalikan dan memonitor pembangkit listrik berskala besar

- Memonitor jaringan 150 kV dan 70 kV melalui komunikasi dengan RCC (Regional Control Center)

- Menjalankan fungsi EMS (Energy Management System).

Salah satu permasalahan di sistem Jawa Bali saat ini adalah frekuensi sistem yang naik turun dengan cepat. Penyebabnya sering disebut sebagai generation-load mismatch.

P3B menyebutkan, hal hal yang mempengaruhi beban adalah hari2 dalam seminggu, jam2 dalam sehari, cuaca, event khusus, dll. Mismatch dari perkiraan beban ada yang merupakan variasi lambat yang deterministik dan variasi cepat yang acak. Ketidakseimbangan ini menyebabkan deviasi frekuensi dari frekuensi nominal.

Cara mengendalikan frekuensi ini adalah dengan melakukan pengaturan/regulasi, salah satunya dengan LFC yang erat kaitannya dengan fasilitas AGC (automatic generation control). AGC memungkinkan JCC mengendalikan beban MW pembangkit listrik (Po) dan rentang bebannya (Pr).

Regulasi utama adalah dengan regulasi primer (Governor Free) yang mempunyai sifat :

• Merespon dengan cepat terjadinya generation-load mismatch
• Masih terdapat steady state error (deviasi frekuensi) sesuai karakteristik speed droop
• Mengakibatkan perubahan aliran daya

Sedang regulasi sekunder (LFC: Load Frequency Control)

• Mengembalikan frekuensi ke nilai nominalnya
• Secara otomatis mengembalikan power interchange antar area

Pada regulasi primer,

k = (1/s) * (Pnom/fo)

dimana:

k : Faktor partisipasi (MW/Hz)
Pnom : Daya nominal unit (MW)
fo : Frekuensi referensi (50 Hz)
S : Speed droop

ΔP = – k Δf

dimana:

ΔP : Governor Action
k : Faktor partisipasi (MW/Hz)
Δf : Deviasi frekuensi (f – fo) (Hz)

Pada regulasi primer ini, speed droop pembangkit ditentukan minimal 5% menurut Aturan Jaringan tahun 2007 (Grid Code). Pembangkit2 hidro biasanya dapat memiliki speed droop hingga 2.5%, sedang pembangkit2 thermal dengan turbin gas sekitar 4%. Yang sulit memenuhi aturan ini adalah pembangkit2 PLTU batubara, kendalanya adalah mungkin umur boilernya yang sudah tua (tidak bisa menerima thermal stress yang ekstrim), bisa juga karena nilai kalor batubaranya yang tidak stabil, atau pertimbangan komersial, misal dalam perjanjian jual beli tenaga listrik atau PPA belum diatur). Pada musim hujan, ketika PLTA dapat beroperasi penuh, frekuensi sistem sangat terbantu kualitasnya oleh reaksi cepat governor turbin2 air.

Sedang pada regulasi sekunder,

Pg = Po + N Pr – k Δf

Dimana:

Pg : Daya keluaran unit pembangkit (MW)
Po : Set point (MW)
Pr  : Rentang regulasi (MW)
N : Level isyarat (output PI controller ACE)
k : Faktor partisipasi (MW/Hz)
Δf : Deviasi frekuensi (f – fo) (Hz)

Misal sebuah pembangkit listrik punya Po = 400 MW dan Pr = 15 MW, maka pembangkit ini secara otomatis dapat naik dan turun bebannya dari 385 MW sampai dengan 415 MW, mengikuti naik turunnya frekuensi sistem. Ketika frekuensi kurang dari 50 Hz, beban akan lebih dari 400 MW, sedang ketika f > 50 Hz, load akan < 400 MW, ditandai dengan nilai N yang bergerak di antara -1<N<1.

Ilustrasi di atas menjelaskan apa yang terjadi ketika beban sistem tiba-tiba naik. Tanpa regulasi frekuensi akan turun terus. Dengan regulasi primer (governor free), dalam waktu sekitar < 20 detik frekuensi dapat ditahan. Namun selama demand > supply maka akan tetap ada Δf. Hal ini dapat diatasi jika sistem juga punya regulasi sekunder (LFC). Dalam waktu 1-2 menit frekuensi akan kembali ke nominal ketika pembangkit2 listrik yang mengaktifkan LFC-nya mulai berkontribusi menyumbang daya ke sistem. Lebih jauh tentang regulasi ini dapat dibaca di file di situs UCTE.

Lanjutan Contoh Penyelesaian Aliran Daya Listrik dengan Metode Newton-Raphson, Decoupled dan Fast Decoupled Load Flow (2)

Melanjutkan tulisan terdahulu, kita sudah mempelajari bagaimana menyelesaikan aliran daya di 3 bus secara analitis, baik dengan metode Newton-Raphson maupun dengan DLF dan Fast Decoupled Load Flow. Kita juga sudah belajar mengenal software PowerWorld yang membantu kita menganalisis STL. Sekarang kita akan mengkonfirmasi hasil-hasil perhitungan kita dengan software PowerWorld ini.

Yang pertama kita simulasikan dengan metode NR, hasilnya sbb:

Bus Records from Powerworld’s Full Newton Load Flow Solution

Name	PU Volt	Angle (Deg)	Load MW	Load Mvar	Gen MW	Gen Mvar
1	1	0			99.96	25.77
2	1.03	1.32			400	418.55
3	0.93437	-5.38	500	350

Yang kedua kita simulasikan dengan memilih algoritma FDLF, yang hasilnya sbb:

Bus Records from Powerworld’s Fast Decoupled Load Flow Solution

Name	PU Volt	Angle (Deg)	Load MW	Load Mvar	Gen MW	Gen Mvar
1	1	0			99.99	24.41
2	1.03	1.31			400	417.13
3	0.93485	-5.35	500	350

Ternyata perbandingan hasil kalkulasi tangan/manual dengan hasil perhitungan software sangat dekat, sehingga kita dapat memastikan bahwa kita menggunakan metode NR, DLF dan FDLF dengan benar.

Selain PowerWorld, sebenarnya ada banyak software yang dapat membantu kita menyelesaikan aliran daya STL, termasuk PSS®E dari Siemens yang merupakan software “wajib” yang banyak dipakai oleh designer ataupun operator STL di seluruh dunia.

Untuk para akademisi/pelajar, biasanya juga banyak memakai Matlab untuk menyelesaikannya. Di Matlab kita harus teliti, namun selama kita memahami algoritmanya, hasilnya juga akan sama dengan software2 lain.

Source code Matlab dengan metode NR untuk permasalahan ini :

% % Question #5A Newton-Raphson method

% Modified from Saadat’s Power System Analysis Example 6.10

clear; clc;

V = [1.0; 1.03; 1.0];

d = [0; 0; 0];

Ps=[4 ; -5];

Qs= -3.5;

YB = [ -j*75 j*50 j*25

j*50 -j*75 j*25

j*25 j*25 -j*50];

Y= abs(YB); t = angle(YB);

iter=0;

while iter < 2

iter = iter +1

P=[V(2)*V(1)*Y(2,1)*cos(t(2,1)-d(2)+d(1))+V(2)^2*Y(2,2)*cos(t(2,2))+ ...

V(2)*V(3)*Y(2,3)*cos(t(2,3)-d(2)+d(3));

V(3)*V(1)*Y(3,1)*cos(t(3,1)-d(3)+d(1))+V(3)^2*Y(3,3)*cos(t(3,3))+ ...

V(3)*V(2)*Y(3,2)*cos(t(3,2)-d(3)+d(2))];

Q= -V(3)*V(1)*Y(3,1)*sin(t(3,1)-d(3)+d(1))-V(3)^2*Y(3,3)*sin(t(3,3))- …

V(2)*V(3)*Y(3,2)*sin(t(3,2)-d(3)+d(2));

J(1,1)=V(2)*V(1)*Y(2,1)*sin(t(2,1)-d(2)+d(1))+…

V(2)*V(3)*Y(2,3)*sin(t(2,3)-d(2)+d(3));

J(1,2)=-V(2)*V(3)*Y(2,3)*sin(t(2,3)-d(2)+d(3));

J(1,3)=V(2)*Y(2,3)*cos(t(2,3)-d(2)+d(3));

J(2,1)=-V(3)*V(2)*Y(3,2)*sin(t(3,2)-d(3)+d(2));

J(2,2)=V(3)*V(1)*Y(3,1)*sin(t(3,1)-d(3)+d(1))+…

V(3)*V(2)*Y(3,2)*sin(t(3,2)-d(3)+d(2));

J(2,3)=V(1)*Y(3,1)*cos(t(3,1)-d(3)+d(1))+…

V(2)*Y(3,2)*cos(t(3,2)-d(3)+d(2));

J(3,1)=-V(3)*V(2)*Y(3,2)*cos(t(3,2)-d(3)+d(2));

J(3,2)=V(2)*V(3)*Y(3,2)*cos(t(3,2)-d(3)+d(2))+…

V(1)*V(3)*Y(3,1)*cos(t(3,1)-d(3)+d(1));

J(3,3)=-V(1)*Y(3,1)*sin(t(3,1)-d(3)+d(1))-2*V(3)*Y(3,3)*sin(t(3,3))-…

V(2)*Y(3,2)*sin(t(3,2)-d(3)+d(2));

DP = Ps – P;

DQ = Qs – Q;

DC = [DP; DQ]

J

DX = J\DC

d(2) =d(2)+DX(1);

d(3)=d(3) +DX(2);

V(3)= V(3)+DX(3);

V, d, delta =180/pi*d;

end

P1= V(1)^2*Y(1,1)*cos(t(1,1))+V(1)*V(2)*Y(1,2)*cos(t(1,2)-d(1)+d(2))+…

V(1)*V(3)*Y(1,3)*cos(t(1,3)-d(1)+d(3))

Q1=-V(1)^2*Y(1,1)*sin(t(1,1))-V(1)*V(2)*Y(1,2)*sin(t(1,2)-d(1)+d(2))-…

V(1)*V(3)*Y(1,3)*sin(t(1,3)-d(1)+d(3))

Q2=-V(2)*V(1)*Y(2,1)*sin(t(2,1)-d(2)+d(1))-V(3)*V(2)*Y(2,3)*…

sin(t(2,3)-d(2)+d(3))-V(2)^2*Y(2,2)*sin(t(2,2))

P_loss = P1+4-5

Q_loss = Q1+Q2-3.5

Kode Matlab dengan FDLF :

% Question #5C Fast decoupled method

% Modified from Saadat’s Power System Analysis Example 6.12

clear; clc;

V1= 1.0; V2 = 1.03; V3 = 1.0;

d1 = 0; d2 = 0; d3=0;

Ps2=4; Ps3 =-5;

Qs3= -3.5;

YB = [ -j*75 j*50 j*25

j*50 -j*75 j*25

j*25 j*25 -j*50];

Y= abs(YB); t = angle(YB);

B1 =[-75 25; 25 -50]

Binv = inv(B1)

iter=0;

while iter < 2

iter = iter +1;

P2= V2*V1*Y(2,1)*cos(t(2,1)-d2+d1)+V2^2*Y(2,2)*cos(t(2,2))+ …

V2*V3*Y(2,3)*cos(t(2,3)-d2+d3);

P3= V3*V1*Y(3,1)*cos(t(3,1)-d3+d1)+V3^2*Y(3,3)*cos(t(3,3))+ …

V3*V2*Y(3,2)*cos(t(3,2)-d3+d2);

Q3=-V3*V1*Y(3,1)*sin(t(3,1)-d3+d1)-V3^2*Y(3,3)*sin(t(3,3))- …

V2*V3*Y(3,2)*sin(t(3,2)-d3+d2);

DP2 = Ps2 – P2; DP2V = DP2/V2;

DP3 = Ps3 – P3; DP3V = DP3/V3;

DQ3 = Qs3 – Q3; DQ3V = DQ3/V3;

DC =[DP2; DP3; DQ3];

Dd = -Binv*[DP2V;DP3V];

DV = -1/B1(2,2)*DQ3V

d2 =d2+Dd(1);

d3 =d3+Dd(2);

V3= V3+DV;

angle2 =180/pi*d2;

angle3 =180/pi*d3;

disp(‘ iter d2 d3 V3 DP2 DP3 DQ3′);

R = [iter d2 d3 V3 DP2 DP3 DQ3]

end

Q2=-V2*V1*Y(2,1)*sin(t(2,1)-d2+d1)-V2^2*Y(2,2)*sin(t(2,2))- …

V2*V3*Y(2,3)*sin(t(2,3)-d2+d3);

P1= V1^2*Y(1,1)*cos(t(1,1))+V1*V2*Y(1,2)*cos(t(1,2)-d1+d2)+ …

V1*V3*Y(1,3)*cos(t(1,3)-d1+d3);

Q1=-V1^2*Y(1,1)*sin(t(1,1))-V1*V2*Y(1,2)*sin(t(1,2)-d1+d2)- …

V1*V3*Y(1,3)*sin(t(1,3)-d1+d3);

S1=P1+j*Q1

Q2

P_loss = P1+4-5

Q_loss = Q1+Q2-3.5

Single Line Diagram Sistem Jawa Madura Bali

Jika dalam tulisan-tulisan terdahulu banyak dibicarakan hal-hal teoritis dan simulasi maka dalam tulisan kali ini kita akan mendiskusikan hal-hal di dunia nyata. Jika anda tinggal di Indonesia, terutama di pulau Jawa, Madura, Bali tentu akan mudah memahami kondisi geografis dan sistem ketenagalistrikan di Jamali. Situs paling relevan untuk membicarakan hal ini tentu adalah situs milik PLN P3B,

disini terlihat neraca listrik di tiap region di sistem Jamali. Lihat perbandingan supply-demand di tiap region, seperti yang sudah saya sampaikan, daya mengalir dari timur ke barat. Sekarang ini backbone 500 kV sudah lebih baik dengan selesainya jalur transmisi Jawa bagian selatan, Paiton-Kediri-Pedan-Tasikmalaya-Depok-Gandul/Cibinong, melengkapi jalur utara yang terlebih dahulu menginterkoneksi sistem ini. Dalam situs P3B ini terlihat Bali disuplai oleh 2 kabel laut dari Banyuwangi-Gilimanuk dengan daya hampir 100 MW. Cadangan daya di Bali sendiri saat ini sangat terbatas, sehingga jika ada masalah pada kabel laut ini maka akan ada load shedding di subsistem Region 4 ini. Situs ini juga menampilkan frekuensi sistem secara real time.

Bagaimana dengan beban pembangkit2 di sistem ini? Anda dapat melihatnya juga di http://bops.pln-jawa-bali.co.id/beban_perunit_kit.php

Detail backbone / single line diagram 500 kV Sistem Jawa Bali adalah sbb: