learning about PLTA

1. PEMBANGKIT LISTRIK
TENAGA AIR (PLTA)
STT-PLN
JL. Lingkar Luar Duri Kosambi, Cengkareng
Jakarta Barat

2. Energi Listrik & Sumber energi

3. 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.

4. Hydro-Electric Power Plant
Daya 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)

5. Ketinggian Air (Head)
High head Power Plant
(100 – 500 m)
Medium head Power Plant
(15 – 100 m)
Low head Power Plant (2 – 15 m)

6. Lokasi pembuatan waduk/dam

9. 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.

10. Specific speed turbin hydrolik
 Kecepatan turbin hydrolik yang secara
geometris sebanding dengan turbin yang
menghasilkan daya 1 kWatt pada 1 m head.
N P
5 / 4 H
N
S 
dimana , N : kecepatan normal [rpm]
P : daya output turbin [kW]
H : net head [m]

11. 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.

12. Turbin Francis
• Turbin reaksi dengan slow
runner ( NS = 60), tipe radial.
• Debit air yang mendorong
runner vane diatur oleh wicket
gate/guide vane.

13. 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.

14. Adjustable blade Turbin (Kaplan)
• Specific speed tinggi
(300 – 1000).
• Kecepatan dapat diatur
dengan :
- adjustable blade
- wicket gates
Dengan menggunakan
servo-motor.

15. 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.

16. Posisi sudut water intake

17. Spesifikasi Jenis Turbin
Pelton 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

18. Efisiensi Turbin (η) sebagai fungsi
dari beban (load).

19. Turbin air dan circular tube

20. Turbin air dalam proses instalasi

21. Spiral case / circular tube, 266 MW

22. Stay ring dengan wicket gate

23. Spiral case untuk 730 MW

24. Runner

25. Runner untuk 266 MW

26. Runner untuk 325 MW

27. Wicket Gates

28. Rotor Generator

29. Servomotor untuk Wicket gates.

30. Draft Tube

31. Turbin assembly untuk 325 MW

32. TURBIN KAPLAN

33. TURBIN DERIAZ

34. TURBIN - GENERATOR

35. STATOR GENERATOR

36. ROTOR – SALIENT POLE

37. ROTOR - CYLINDRICAL

38.  BLANK

39. 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.

40. Sistem Open Loop & Closed Loop

41. 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.

42. Sistem kendali Posisi Antene

43. Analisa dan disain Sistem Kontrol
 Transient Response
 Steady state Response
 Steady state Error.
 Stability

44. 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.

45. Total response = transient (natural) response +
steady state (forced) response.

46. Respon sistem kendali terhadap input unit step

47. Respon transient dari system 2nd order terhadap
fungsi input unit step.

48. Fungsi Transfer
 Fungsi Transfer H(s) ,dari suatu sistem adalah bentuk
pernyataan perbandingan output/input dalam notasi
Laplace (domain s= σ + jω).
X(s) H(s) Y(s)
H(s) =
Y(s)
X(s)

49. Feedback Control Systems
C( s)  E (s ) G(s ) , E (s )  R( s)  C (s ) H (s )
R(s)G(s)  C(s)  C(s) H (s)G(s)  C(s) {1  H (s)G(s)}
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( )
C s
( )
R s C s H s C s R s G s C s H s G s
G s
    

G s
( )
1 ( ) ( )
C s
( )
( )
G s H s
R s


G s
( )
1 ( ) ( )
C s
( )
( )
G s H s
R s


 Negatif Feedback
 Positif Feedback

50. Persamaan Karakteristik
G s
( )
GHs

1 ( )
C
R


  
m
m
  
K s a s a
( ........... )
m
  
n
n

s b s b
0
1

1
0
1
1
..........
K N s
( )
D s
( )
GH s
( )
n
( ) ( )
G s D s

( ) ( )
G s
N s
( )
D s
( )
1
( )
C s
( )
R s
( )
D s KN s
K



Persamaan karakteristik : D(s) + K N(s) = 0
Contoh :
K
( 4)( 8)
( ) ( )
 

s s s
G s H s
1 ( ) ( ) 0 12 32 0  G s H s   s3  s2  s  K 

51. 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

52. 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.

53. 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 :
m
 

 1 i

1

p z
- Sudut antar asymptotes
 Break-away point :
 Sudut departure dan arrival
i
n
i
i
C
p z
# #
 

 

 







, 0
(2 )180
, 0
(2 1) 180
untuk K
l
n m
untuk K
n m
l
o
o

1
 
1


 ( )
b i b i  p  z
( )
θD = (#∟ zero - #∟ pole ) + 180 0.
θA = - (#∟ zero - #∟ pole ) + 1800
n = jumlah pole
m = jumlah zero

54. Ploting root-locus

K
( 12 32) ( ) ( ) 2
K
K
( 12 32) ( 4)( 8)
2
 

 
    
s s s
s s s
Y s
s
s s Y s

55. 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.

56. Kriteria kestabilan berdasarkan posisi pole
terhadap sumbu imaginer.

58. Tabel Routh

59. Contoh Tabel Routh :

60. 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

61. Sistem Kompensasi Kestabilan
Untuk 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 plus
Differensial) Compensator
Selain itu dapat juga digunakan rangk. kompen-sator
aktif, misalnya operational-amplifier.

62. 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 )

63. Kompensator Rangkaian pasif
untuk sistem Kendali
Lag- Compensator
Lead-Compensator
Lead-Lag Compensator

a s b
( )
( )
( )
b s a
G s


1
R C
1 b


R R
a
,
1 2 2


s a
( )
( )
( )
s b
G s


1   
1 1
R C R C
b
R C
a
,
1 1 2
 
( s a )( s b
)
1 2
( )( )
( )
s b s a
1 2
G s
 

a   
1 2 1 2
1 ,
2 2
2
1 1
1
,
1
a b b a
R C
b
R C

64. Kompensator Aktif
dengan rangk. Operational
Amplifier

66. Kondisi Feedback Control System, sebelum dan sesudah
ditambah rangkaian kompensasi.
K
s(s  2)(s  4)
s(s  2)(s  4)
K

s
( s
1)

( 3)
Sebelum ditambah
rangk. kompensator
Setelah ditambah rangk.
lead-compensator secara
seri.
Compensator

67. Root-Locus sebelum di kompensasi
( Range kestabilan 0< K < 48)

68. Root-Locus setelah di kompensasi
(Range kestabilan 0<K< 210)

69. Sistem Kendali Digital
 Kenapa harus digital ?

73. 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.

74. Sistem SCADA

75. Jaringan Komunikasi SCADA

76. Distributed Control System (DCS)

77. Struktur hardware RTU (Remote Terminal Unit)

78. Konsep PLC Ladder Logic

79. Sistem Token Ring

80. Sistem Priority

81. Point-to-point

82. Multipoint

83. Store and Forward

84. 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

85. SEKIAN
TERIMA KASIH
ATAS PERHATIAN