Plta & teori kontrol 2

PEMBANGKIT LISTRIKTENAGA AIR (PLTA)

STT-PLNJL. Lingkar Luar Duri Kosambi, Cengkareng

Jakarta Barat

Energi Listrik & Sumber energi

Keuntungan dan Kerugian

PLTA Keuntungan

- Tidak diperlukan bahan bakar

- Operational cost rendah.

- Tidak menimbulkan polusi.

- Turbin bisa di On/off dgn cepat.

- Life-time lebih lama(50th).

Kerugian

- Tergantung kapasitas air.

- Biaya investasi mahal

- Capital return lama

- Jauh dari pusat beban sehingga loss –transmisi besar.

Hydro-Electric Power PlantDaya hydrolik yang dihasilkan :

P = g ρ D H [Watts]

dimana :

g : gaya gravitasi = 9.81 m/s2

ρ : densitas air = 1000 kg/m3

D : debit air [ m3/s]

H : head (tinggi air)

Daya listrik yang dihasilkan :

W = 9.81x1000x D H η t

= 9.81 DHη t [kWh]

t = jangka waktu operasi [jam]

( 1 tahun = 8760jam)

η = efisiensi turbin ( 0.5 ~ 0.9)

Ketinggian Air (Head)

High head Power Plant

(100 – 500 m)

Medium head Power Plant

(15 – 100 m)

Low head Power Plant (2 – 15 m)

Lokasi pembuatan waduk/dam

Jenis Turbin Hidrolik

Turbin Pelton (impulse turbin, horizontal

shafts)

Turbin Francis (reaction turbin,high head)

Turbin Kaplan (reaction turbin, low head)

Turbin Deriaz (reaction turbin, diagonal

turbin)

Fungsi : Turbin hydrolik mengkonversi

energi potensial air menjadi energi listrik

yang dihasilkan dari putaran sumbu

generator.

Specific speed turbin hydrolik

Kecepatan turbin hydrolik yang secara

geometris sebanding dengan turbin yang

menghasilkan daya 1 kWatt pada 1 m head.

dimana , N : kecepatan normal [rpm]

P : daya output turbin [kW]

H : net head [m]

4/5H

PNNS

Turbin Pelton

Roda Pelton digerakkan oleh energi kinetik air yang keluar

dari nozzle. Besarnya energi kinetik air yang mengenai

bucket diatur oleh posisi nozzle dan deflector.

Turbin Francis

• Turbin reaksi dengan slow

runner ( NS = 60), tipe radial.

• Debit air yang mendorong

runner vane diatur oleh wicket

gate/guide vane.

Turbin Kaplan

• Turbin reaksi tipe propeller,

untuk low/medium head (4 –

100 m).

• Specific speed : 300 – 1000.

• Terdiri dari axial flow runner

dengan 4 ~ 6 buah adjustable

blades/vanes.

Adjustable blade Turbin (Kaplan)

• Specific speed tinggi

(300 – 1000).

• Kecepatan dapat diatur

dengan :

- adjustable blade

- wicket gates

Dengan menggunakan

servo-motor.

Turbin Deriaz

• Turbin diagonal, aliran air

pada runner menyudut

sebesar 450 dari sumbu.

• Menggunakan adjustable

blades ( 10 ~ 12 blades).

• Head ≈ 200 m

• Dapat digunakan untuk

reversible condition, untuk

berfungsi sebagai pompa.

• Kontrol kecepatan hanya

dengan adjustable blades

saja.

Posisi sudut water intake

Spesifikasi Jenis TurbinPelton Francis Kaplan

Max Capacity 250 MW 720 MW 225 MW

Head 100-1750 m 30-550 m 1.3 – 77.5 m

RPM 75-1000 93.8 - 1000 72-600

Specific speed

(Ns)

6-60 50-400 280-1100

Jenis Impulse Reaksi Reaksi

Pengaturan

kecepatan

Nozzle deflec-

tor

Wicket gates Regulated

vanes

Efisiensi Turbin (η) sebagai fungsi

dari beban (load).

Turbin air dan circular tube

Turbin air dalam proses instalasi

Spiral case / circular tube, 266 MW

Stay ring dengan wicket gate

Spiral case untuk 730 MW

Runner

Runner untuk 266 MW

Runner untuk 325 MW

Wicket Gates

Rotor Generator

Servomotor untuk Wicket gates.

Draft Tube

Turbin assembly untuk 325 MW

TURBIN KAPLAN

TURBIN DERIAZ

TURBIN - GENERATOR

STATOR GENERATOR

ROTOR – SALIENT POLE

ROTOR - CYLINDRICAL

BLANK

TEORI SISTEM KONTROL/KENDALI

Tujuan Sistem Kendali :

Mengendalikan output

dari suatu proses.

Ada 4 fungsi penting :

- Penguatan daya

- Remote Control

- Sinyal input flexible.

- Kompensasi gangguan.

Sistem Open Loop & Closed Loop

Sistem Open Loop & Closed Loop

Open Loop System : Pada sistem open-loop , sistem tidak

dapat mengkompensasi/mengkoreksi perubahan output

apabila terjadi gangguan (disturbance).

Closed-Loop (feedback control) System : Dapat

mengkoreksi terjadinya perubahan output dari yang telah

ditentukan (setting) apabila terjadi gangguan. System

mengkoreksi terjadinya gangguan dengan melakukan

pengukuran perubahan output, memberikan umpan balik

kepada input controller untuk menggerakkan plant

selanjutnya merubah kembali output sesuai dengan setting

semula.

Sistem Closed-Loop lebih kompleks dan mahal (high cost)

dibandingkan Sistem Open-Loop.

Sistem kendali Posisi Antene

Analisa dan disain Sistem Kontrol

Transient Response

Steady state Response

Steady state Error.

Stability

Respon Sistem Kendali

Transient response : respon ouput saat transisi mulai t=0 detik sampai dengan mencapai kondisi ouput yang mantap.

Steady-state response : output yang telah mencapai kondisi mantap sesuai dengan yang diharapkan.

Steady-state error : discrepancy (penyimpangan) nilai output dari nilai output yang telah ditentukan.

Total response = Natural response + Forced response.

- Natural response : respon output yang ditentukan sepenuhnya oleh sistem.

- Forced response : respon output yang ditentukan oleh input.

Total response = transient (natural) response +

steady state (forced) response.

Respon sistem kendali terhadap input unit step

Respon transient dari system 2nd order terhadap

fungsi input unit step.

Fungsi Transfer Fungsi Transfer H(s) ,dari suatu sistem adalah bentuk

pernyataan perbandingan output/input dalam notasi

Laplace (domain s= σ + jω).

H(s) Y(s)X(s)

H(s) =Y(s)

X(s)

Feedback Control Systems

)()()()(,)()()( sHsCsRsEsGsEsC

)()()()()()()()()()(

)(sGsHsCsGsRsCsHsCsR

sG

sC

})()(1{)()()()()()()( sGsHsCsGsHsCsCsGsR

)()(1

)(

)(

)(

sHsG

sG

sR

sC

)()(1

)(

)(

)(

sHsG

sG

sR

sC

Negatif Feedback

Positif Feedback

Persamaan Karakteristik

Persamaan karakteristik : D(s) + K N(s) = 0

Contoh :

)(1

)(

sGH

sG

R

C

0

1

1

0

1

1

..........

)...........(

)(

)()(

bsbs

asasK

sD

sNKsGH

n

n

n

m

m

m

)()(

)()(

)(

)(1

)(

)(

)(

sKNsD

sDsG

sD

sNK

sG

sR

sC

)8)(4()()(

sss

KsHsG

032120)()(1 23 KssssHsG

Analisa Stabilitas

Analisa stabilitas Power System

dilakukan dengan :

- Diagram Root-Locus

- Kriteria Routh-Hurwitz

Untuk mengetahui :

1. Transient Response

2. Steady State error

3. Stabilitas Sistem

Analisa Root Locus

Metode Root-Locus adalah analisa secara grafis untuk

menggambarkan akar-akar persamaan karakteristik

suatu sistem closed-loop yang merupakan fungsi dari

faktor penguatan K.

Analisa ini didasarkan atas hubungan yang terdapat

antara pole-zero dari persamaan karakteristik.

Root-locus digambarkan pada bidang kompleks dalam

domain- s ( s=σ+ jω), dengan suatu metode tertentu.

Dari posisi akar-akar (pole & zero) dapat dianalisa

kondisi kestabilan dari sistem.

Prosedur penggambaran Root-Locus

Gambarkan bidang kompleks s = σ+jω, dan tempatkan pole dan zero dari fungsi

transfer open-loop GH(s) pada bidang tersebut.

Pole menyatakan mulainya root-locus ( K = 0).

Zero menyatakan berakhirnya root-locus (K =~)

Jumlah locus sama dengan jumlah pole GH(s) atau sama dengan orde

persamaan karakteristik.

Locus pada sumbu real (σ) didapat dari ( # pole - # zero)

Asymptotes ,

- Titik pusat :

- Sudut antar asymptotes

Break-away point :

Sudut departure dan arrival

zp

m

i

i

n

i

i

C

zp

##

11

0,

180)2(

0,180)12(

Kuntukmn

l

Kuntukmn

l

o

o

)(

1

)(

1

ibibzp

θD = (#∟ zero - #∟ pole ) + 180 0.

θA = - (#∟ zero - #∟ pole ) + 1800

n = jumlah pole

m = jumlah zero

Ploting root-locus

)8)(4()3212(

)()()3212(2

2

sss

K

sss

KsY

s

KsYss

Kriteria Routh-Hurwitz

Teori Kestabilan : (Persamaan karakteristik orde n)

Agar supaya sistem stabil maka akar-akar (pole) pers.karakteristik harus berada pada sebelah kiri sumbu imajiner , pada bidang kompleks.

Routh Test : jumlah akar-akar persamaan karakteristik yang terletak disebelah kanan sumbu imajiner bid.kompleks = jumlah perubahan tanda pada koef. Lajur pertama pada deret Routh.

Kriteria kestabilan berdasarkan posisi pole

terhadap sumbu imaginer.

Tabel Routh

Contoh Tabel Routh :

Menentukan batas kestabilan

berdasarkan Tabel Routh.

Contoh :Routh-Hurwitz test : s3 + 12 s2 + 32 s + K = 0

S3 1 32

S2 12 K

S1 382- K 0

12

S0 K

Agar sistem stabil :

0 < K < 382

Sistem Kompensasi KestabilanUntuk menstabilkan sistem kendali yang kinerjanya kurang baik dapat dilakukan dengan memasang rangkaian kompensator, yaitu berbentuk rangkaian pasif filter RC, yang meliputi

1. Lag compensator

2. Lead compensator

3. Lead-lag compensator

4. PI (Proportional plus Integral) Compensator

5. PD (Proportional plus Differensial) Compensator

6. PID (Proportional plus Integral plusDifferensial) Compensator

Selain itu dapat juga digunakan rangk. kompen-sator aktif, misalnya operational-amplifier.

Perbaikan Kinerja Sistem Kendali

Perbaikan kinerja meliputi :

1. Memperbaiki Steady-state

error (menambahkan : PI, Lag, PID, Lag-Lead Compensator)

2. Memperbaiki Transient response ( menambahkan PD, Lead, PID, Lag-Lead Compensator )

Kompensator Rangkaian pasif untuk sistem Kendali

Lag- Compensator

Lead-Compensator

Lead-Lag Compensator

)(

)()(

asb

bsasG

CRb

RRa

221

1,

1

)(

)()(

bs

assG

CRCRb

CRa

211

11,

1

))((

))(()(

21

21

asbs

bsassG

2121

22

2

11

1 ,1

,1

abbaCR

bCR

a

Kompensator Aktifdengan rangk. Operational

Amplifier

Kondisi Feedback Control System, sebelum dan sesudah

ditambah rangkaian kompensasi.

)4)(2( sss

K

)4)(2( sss

K

)3(

)1(

s

s

Sebelum ditambah

rangk. kompensator

Setelah ditambah rangk.

lead-compensator secara

seri.

Compensator

Root-Locus sebelum di kompensasi

( Range kestabilan 0< K < 48)

Root-Locus setelah di kompensasi

(Range kestabilan 0<K< 210)

Sistem Kendali Digital

Kenapa harus digital ?

Sistem SCADA (Supervisory Control and Data

Acquisition)

Sistem SCADA adalah merupakan kombinasi sistem

telemetry dan sistem akuisisi data.

SCADA mengumpulkan data/informasi melalui RTU

(remote terminal unit), mentransfer kembali ke pusat

analisis (master station), membawa hasil analisis

kembali ke unit-unit dan memberikan tindakan kontrol.

Untuk mengendalikan sistem secara terintegrasi

diperlukan jaringan komunikasi data antar pembangkit

tenaga listrik dan Pusat Pengatur Beban. Sistem ini

menggunakan teknologi SCADA, yang mengatur

sinkronisasi, pengaturan pembebanan dan sebagainya.

Sistem SCADA

Jaringan Komunikasi SCADA

Distributed Control System (DCS)

Struktur hardware RTU (Remote Terminal Unit)

Konsep PLC Ladder Logic

Sistem Token Ring

Sistem Priority

Point-to-point

Multipoint

Store and Forward

Referensi, gambar , kurva/diagram : Norman S.Nise : “ Control Systems Engineering”, 3rd ed;

John Wiley & Sons,Inc, New York, 2000.

Charles L. Phillips, H.Troy Nagle : “Digital Control System, Analysis and Design”, 3rd ed; Prentice Hall International, Inc., 1997.

Benyamin C. Kuo : “ Automatic Control Systems”, 3rd ed; Prentice Hall Inc, New Jersey, 1975.

Joseph J. DiStefano,III, et.al. : “Theory and Problem of Feedback and Control Systems”, Schaum’s Outline Series, McGraw-Hill Book Company, New York, 1967.

Katsuhiko Ogata : “ Solving Control Engineering Problem with Matlab”, Matlab Curriculum Series, Prentice Hall, New Jersey, 1994.

P.M. Anderson & A.A. Fouad : “ Power System Control and Stability” 2nd Edition, A John Wiley & Sons, Inc, 2003

SEKIAN

TERIMA KASIH

ATAS PERHATIAN