Transient Stability of an Electrical Power System

Kecenderungan sebuah sistem tenaga untuk mengembalikan daya yang sama atau lebih besar dari daya gangguan untuk mempertahankan kondisi seimbang dinamakan stabilitas. Jika daya yang dihasilkan untuk mempertahankan mesin dalam keadaan sinkron dengan yang lain cukup untuk mengatasi daya gangguan, sistem dikatakan stabil (sinkron).

Dalam keadaan operasi yang stabil dari suatu sistem tenaga listrik, terdapat keseimbangan antara daya input mekanis pada prime mover generator dengan daya output listrik (beban listrik) pada sistem. Dalam keadaan ini semua generator berputar pada kecepatan sinkron. Gangguan kecil atau besar pada sistem tenaga listrik akan berdampak pada operasi sinkron. Sebagai contoh, kenaikan atau penurunan tiba-tiba pada beban, atau akibat dari rugi pembangkitan, menjadi salah satu jenis gangguan yang berpengaruh sangat signifikan terhadap sistem. Jenis lain dari gangguan yang mungkin adalah terputusnya jaringan transmisi, beban lebih, atau hubung singkat. Dengan kontrol yang baik, diharapkan stabilitas sistem akan menuju ke keadaan mantap dalam waktu yang singkat setelah gangguan diatasi.

Gangguan pada sistem tenaga listrik dapat diklasifikasikan menjadi 2 kategori, yaitu gangguan kecil dan gangguan besar. Gangguan kecil merupakan satu dari elemen sistem dinamis yang dapat dianalisis menggunakan persamaan linear. Gangguan kecil yang terjadi berupa perubahan beban pada sisi beban atau pembangkit secara acak, pelan, dan bertingkat. Trip pada jaringan sistem tenaga listrik dianggap sebagai gangguan kecil apabila pengaruhnya terhadap aliran daya sebelum gangguan pada sistem itu tidak signifikan. Gangguan yang menghasilkan kejutan tiba-tiba pada tegangan bus adalah jenis gangguan besar yang harus segera dihilangkan. Apabila tidak dihilangkan secepatnya, maka gangguan tersebut akan mempengaruhi stabilitas sistem. Gangguan skala besar akan memberikan pengaruh yang signifikan terhadap aliran daya pada sistem, bahkan dapat memungkinkan terjadinya blackout.


Secara umum stabilitas pada suatu sistem tenaga diklasifikasikan menjadi 3 kategori, yaitu stabilitas steady state, stabilitas dinamis, dan stabilitas transien. Stabilitas steady state adalah kemampuan sistem tenaga listrik untuk mencapai kondisi stabil pada kondisi operasi baru yang sama atau identik dengan kondisi sebelum terjadi gangguan setelah sistem mengalami gangguan kecil. Secara konsep, stabilitas dinamis adalah sama dengan stabilitas steady state. Perbedaannya terletak pada pemodelan, dimana pada stabilitas dinamis, sistem eksitasi, turbin, dan generator dimodelkan dengan menyediakan variasi fluks pada air gap mesin, sementara pada stabilitas steady state generator direpresentasikan sebagai sumber tegangan konstan saja. Sedangkan stabilitas transien adalah kemampuan sistem tenaga untuk mencapai kondisi stabil pada kondisi operasi yang baru yang dapat diterima setelah sistem mengalami gangguan berskala besar dalam kurun waktu selama 1 swing pertama dengan asumsi AVR dan governor belum bekerja.

Studi kestabilan transien diperlukan untuk memastikan kemampuan sistem untuk bisa menahan kondisi transien setelah gangguan besar. Seringkali, studi tersebut dilakukan ketika terjadi pemasangan fasilitas transmisi maupun pembangkitan yang baru. Hal ini sangat membantu dalam hal menentukan sistem rele yang diperlukan, waktu kritis pemutusan breaker, level tegangan dan kemampuan transfer antara sistem [Saadat].

Selain jenis dan lokasi gangguan, yang tidak dapat dikontrol manusia, terdapat beberapa faktor lain yang dapat mempengaruhi stabilitas transien yang bisa dilakukan dalam rangka memperbaiki stabilitas transien pada suatu sistem tenaga. Secara umum kestabilan transien generator bergantung pada :
- Pembebanan generator.
- Output generator pada saat gangguan. Hal ini dipengaruhi oleh lokasi dan jenis gangguan.
- Waktu pemutusan.
- Reaktansi posfault sistem.
- Reaktansi generator. Reaktansi generator yang kecil akan memperbesar daya puncak dan mengurangi sudut daya awal.
- Inersia generator. Semakin besar, maka rating perubahan sudut akan semakin kecil. Hal ini akan mengurangi energi kinetik yang dihasilkan saat gangguan (area percepatan).
- Tegangan internal generator. Dipengaruhi oleh eksitasi medan.
- Tegangan infinite bus.

Secara umum terdapat beberapa metode yang dapat dilakukan untuk memperbaiki kemampuan sistem tenaga untuk bertahan dari gangguan yang mempengaruhi stabilitas transien sistem yang bersangkutan. Adapun metode tersebut adalah sebagai berikut :
Menaikkan Konstanta Inersia Generator
Menaikkan konstanta inertia mesin akan mengurangi penambahan perubahan sudut δ dalam interval waktu tertentu, sehingga circuit breaker mempunyai waktu yang lebih lama untuk memutuskan rangkaian sebelum mesin melampaui sudut kritisnya.
Semakin besar konstanta inersia mesin, maka semakin stabil suatu sistem. Tetapi dengan memperbesar konstanta inersia mesin, ukuran-ukuran mesin akan semakin besar pula, yang berarti memerlukan biaya yang besar sehingga tidak ekonomis dalam prakteknya.
Menaikkan Tegangan Generator
Apabila pada kondisi sebelum terjadi gangguan generator sedang mensuplai daya tertentu dengan sudut δO, dengan menaikkan nilai tegangan generator yang terhubung dengan sistem, maka akan memperbesar daya yang disalurkan genarator, yang berarti akan memperkecil sudut δO. Dengan semakin kecilnya sudut δO, apabila terjadi gangguan, generator dapat berayun lebih lama sebelum sudut kritis kestabilan tercapai.
Dengan menaikkan nilai tegangan generator, berarti harus memperhitungkan isolasi untuk generator, yang berarti penambahan biaya untuk instalasi generator tersebut, sehingga cara ini relatif kurang ekonomis dalam prakteknya.
Menggunakan Peralatan Pemutus Rangkaian Yang Cepat (High Speed Recloser)
Semakin cepat gangguan yang terjadi pada sistem diisolir, maka stabilitas sistem semakin baik. Sesuai kriteria luas sama, sistem hanya akan stabil jika luasan daerah peredaman (A2) lebih besar atau sama dengan luas daerah percepatan (A1), dan yang menentukan besarnya masing-masing luasan ini adalah waktu pemutusan saluran yang mengalami gangguan. Semakin cepat waktu pemutusan, maka luasan daerah A1 akan semakin kecil, sehingga syarat suatu sistem untuk tetap stabil setelah mengalami gangguan akan terpenuhi.
Menurunkan Reaktansi Seri Saluran
Dengan menurunkan reaktansi seri saluran, dapat memperbesar daya yang disalurkan oleh generator, sehingga dapat meningkatkan stabilitas transien sistem.
Perbaikan stabilitas transien dengan menggunakan kompensasi seri, dalam hal ini kapasitor seri, sangat ekonomis untuk saluran yang memiliki panjang lebih dari 200 km. Jika saluran terkompensasi 50 %, maka akan mengurangi reaktansi saluran sebesar setengah kali dari harga asalnya, dan akan menghasilkan transfer daya dua kali lipat dengan selisih sudut tegangan yang sama. Atau dengan kata lain, saluran mampu menghasilkan transfer daya yang sama dengan selisih sudut tegangan yang lebih kecil, sehingga akan mengurangi resiko terjadinya ketidakstabilan pada sistem jika terjadi gangguan.