## PEMODELAN DINAMIK DAN SIMULASI KARAKTERISTIK RESPON MICRO STEAM TURBINE DENGAN SIMULINK
Rahmat Bayu Setiawan 1 , Khairudin 2 , Lukmanul Hakim 3 , Noer Soedjarwanto 4
Teknik Elektro Universitas Lampung
Bandar Lampung, Indonesia
E-mail : khairudin@eng.unila.ac.id
Abstrak — Sumber energi listrik di Indonesia menggunakan beberapa sumber pembangkit energi listrik yaitu bahan  bakar  fosil  dan  energi  terbarukan.  Dalam  prosesnya,  energi  listrik  dihasilkan  melalui  penggerak  mula yang dikopelkan dengan generator untuk menghasilkan energi listrik. Micro steam turbine termasuk penggerak mula yang merupakan mesin tenaga atau mesin konversi energi  dimana hasil konversi energinya dimanfaatkan mesin  lain  untuk  menghasilkan  daya.  Micro  steam  turbine  dikembangkan  untuk  proses  pembangkitan  daya karena  faktor  efisiensi  dan  tingkat  harga  yang  rendah.  Simulasi  dilakukan  dengan  menggunakan  pemodelan Simulink  MATLAB  R2018b.  Simulasi  dilakukan  dengan  membuat  blok  simulink  microsteam  turbine,  blok transmisi  dan  blok  infinite  bus,  lalu  membuat  skenario  pada  beban  yang  berbeda-beda,  baik  beban  resistif, beban  kompleks  dan  saat  terkena  gangguan.  Dari  beberapa  simulasi  yang  dilakukan,  baik  saat  percobaan jumlah  beban  yang  berubah-ubah  ataupun  sistem  kehilangan  pembangkit,  parameter  sistem  pembangkitan seperti  frekuensi,  daya  aktif,  daya  reaktif,  tegangan  dan  kuat  arus  sistem  menggunakan  inlet  steam  pressure 125  to  15  psig  dengan  kapasitas  mesin  275  kW.  Karakteristik  frekuensi  beban  resistif  menunjukkan  frekuensi yang  terukur  bernilai  50,16  Hz  pada  waktu  5,027  detik  dari  frekuensi  sebelumnya  yang  bernilai  50  Hz,  lalu berosilasi selama 2,441 detik dan kemudian stabil pada waktu 7,468 detik dengan frekuensi kembali bernilai 50 Hz.  Karakteristik  daya  aktif  beban  resistif  menunjukkan  penurunan  nilai  daya  aktif  dari  sebelumnya  4,988  kW menjadi  0,2132  kW  pada  waktu  5,028  detik,  lalu  berosilasi  selama  0,262  detik  dan  pada  waktu  5,29  detik  daya aktif  berada  dalam  keadaan  stabil  kembali  pada  nilai  0,1378  kW.  Karakteristik  daya  reaktif  menunjukkan  nilai 18,35  Var  pada  waktu  5,016  detik  dan  mengalami  penurunan  dengan  nilai  -404,9  Var  dari  yang  sebelumnya bernilai 1,297 kVar, lalu berosilasi selama 0,357 detik dan kembali stabil pada nilai yakni  -235,4 Var pada waktu 5,373 detik. Karakteristik tegangan pada waktu 5,005 detik, mengalami kenaikan tegangan sebesar 1,711 pu dan kemudian  berosilasi  selama  0,273  detik  dan  kembali  berada  pada  kondisi  stabil  pada  nilai  tegangan  sebesar 0,9998  pu  pada  waktu  5,278  detik.  Karakteristik  arus  menunjukkan  nilai  arus  sebesar  350,8    A    pada    waktu 5,009    detik,    lalu    berosilasi    selama    0,399    detik    dan  berada  dalam  keadaan  stabil  pada  waktu  5,408  detik dengan nilai 198,5 A.

## Kata kunci —Daya, Microsteam Turbine, Pembangkit, Pemodelan
Abstract — Electrical energy in Indonesia use several sources of  energy, namely fossil fuels and renewable energy.  In  the  process,  electrical  energy  is  generated  through  a  prime  mover  coupled  to  a  generator.  Micro steam turbine includes the prime mover which is a power engine or energy conversion engine where the results of the energy conversion are used by other machines to produce power. Micro steam turbine was developed for the power generation process because of the efficiency factor and low price level. Simulations were carried out using Simulink MATLAB R2018b modeling. Simulations was carried out by making simulink microsteam turbine blocks,  transmission  blocks  and  infinite  bus  blocks,  then  creating  scenarios  for  different  loads,  both  resistive loads, complex loads and when they  were disturbed. From several simulations carried out, both  experimenting with  varying  loads  or  system  losses,  the  generation  system  parameters  such  as  frequency,  active  power, reactive power, voltage and current strength of the system use an inlet steam pressure of 125 to 15 psig with an engine  capacity  of  275  kW.  .  The  resistive  load  frequency  characteristic  showed  that  the  measured  frequency was 50.16 Hz at 5.027 seconds from the previous frequency of 50 Hz, then oscillated for 2.441 seconds and then stabilized  at  7.468  seconds  with  a  return  frequency  of  50  Hz.  The  resistive  load  active  power  characteristic showed a decrease in the active power value from 4.988 kW to 0.2132 kW at 5.028 seconds, then oscillated for 0.262  seconds  and  at  5.29  seconds  the  active  power  was  in  a  stable  state  again  at  a  value  of  0.1378  kW.  The reactive  power  characteristic  showed a  value  of  18.35 Var at  5.016  seconds  and  has  decreased  by  a  value  of - 404.9 Var from the previous value of 1.297 kVar, then oscillated for 0.357 seconds and stabilized at a value of - 235.4  Var  at  a  time  of  5.373  seconds.  Characteristics  of  the  voltage  at  a  time  of  5.005  seconds,  the  voltage
increased by 1.711 pu and then oscillated for 0.273 seconds and returns to a stable condition at a voltage value of  0.9998  pu  at  a  time of  5.278  seconds.  The  current characteristic  showed  a current  value  of 350.8  A  at  5.009 seconds, then oscillated for 0.399 seconds and was in a stable state at 5.408 seconds with a value of 198.5 A.
Keywords —Power, Microsteam turbine, generator, modelling

## I.  PENDAHULUAN
Energi  listrik  merupakan  suatu  kebutuhan  yang  sangat  penting  untuk  menunjang  kegiatan    sehari-hari. Dalam    prosesnya,      energi    listrik  dihasilkan  melalui  penggerak  mula  yang  dikopelkan  dengan  generator untuk  menghasilkan  energi  listrik  [1].  Pengaruh    dari    sistem    kontrol    pada    pembangkit    yang    memiliki struktur  micro steam  turbine yang  kompleks belum  dimodelkan  dengan  pemodelan  dinamik yang mampu meniru karakteristik micro steam turbine. Maka dari itu, pengembangan model analisis terhadap kondisi micro steam  turbine  dalam  sistem  pembangkitan  perlu  dilakukan  [2].  Pemodelan  yang  dapat  digunakan  untuk mengetahui  simulasi  kondisi  pembangkit  secara  real  time  dapat  diketahui  melalui  Simulink  Matlab.  Penulis melakukan penelitian ini dengan menggunakan pemodelan Simulink MATLAB R2018b. Dalam banyak kasus pemodelan  micro  steam  turbine,  teknik  identifikasi  yang  digunakan  untuk  mengembangkan  model  dinamik yakni  berdasarkan  pada  pengukuran  data  yang  terukur  dari  performansi  sistem  secara  real  dari  aplikasi pembangkit tenaga listrik. Penggambaran sistem yang baik yakni saat dalam kondisi  operasi  yang  spesifik. Namun,  dalam  sistem  yang  sangat  besar  yang terdiri dari pembangkit tenaga listrik, ketika terjadi kontrol redaman  pada  sistem  yang  berjalan  pada  kondisi  operasi  beban  normal  maka  sistem  dapat  mendeteksi situasi bahaya [3].

## II.  STUDI PUSTAKA

## A. Micro Steam Turbine
Micro steam Turbine merupakan turbin uap skala mikro yang diaplikasikan dalam pembangkit tenaga uap skala  mikro  dan  merupakan prime  mover yang  dikopel  dengan  generator  serta  akan  diaplikasikan  dalam sistem  mikrogrid  sebagai distributed  generation (pembangkit  tersebar)  dengan  bahan  bakar  biomassa  [4]. Gambar 1 menunjukkan mesin micro steam turbine .
Gambar 1. Mesin micro steam turbine [1]

## B. Diagram Sistem Tenaga Micro Steam
Pada  Gambar  2 merupakan  instalasi  sistem  tenaga  tipe microsteam .  Sistem tenaga microsteam yang dievaluasi  di  laboratorium  uji  UTRC  dianalisis  untuk  keamanan,  keandalan,  dan  kinerja.  Pengujian menyimpulkan  bahwa  efisiensi  maksimum  80%  dapat  dicapai[6].  Simulasi  pengujian  laboratorium  lanjut kemudian menunjukkan bahwa masa pakai 15 tahun dapat diantisipasi.
Penelitian    sebelumnya    yang    berkaitan    dengan    pemodelan   microsteam   turbine  yang  dilakukan oleh Mircea, Dorin  Bica,  pada  tahun  2013  dari Department  of  Electrical  and  Computer  Engineering,  University  of Tigru  Mures,  yang  mensimulasikan  sistem  pengontrolan  kecepatan  pada  turbin  uap  menggunakan pengendali  P  dan  PI  terhadap  perubahan  beban[2].  Penelitian  lain  yang  berkaitan  dilakukan  oleh  Mircea, Dorin  Bica,  pada  tahun  2013  dari  Department  of  Electrical  and  Computer  Engineering,  University  of  Tigru Mures,  yang  mensimulasikan  pemodelan  matematis  dari  tiap  komponen  pembangkitan    pada    turbin    uap untuk  mengetahui  karakteristik  turbin  uap sehingga dapat digunakan untuk mengatur torsi dan kecepatan turbin  uap melalui  pembukaan  pada  reheater  valve  dan  highpass  valve[3].  Penelitian  lain  dilakukan  oleh  Ali Chaibakhsh,  Ali  Ghaffari,  pada  tahun  2008  dari  Toosi  University  of  Technology,  yang  membuat  pemodelan turbin uap untuk mengatur laju aliran uap terhadap waktu yang seefisien mungkin, sekaligus pengaturan daya output terhadap kondisi enthropy dan tekanan uap[4].
Gambar 2. Diagram sistem tenaga tipe micro steam [3]

## III.  METODOLOGI PENELITIAN
Perangkat  lunak  MATLAB  R2018b  sebagai  perangkat  lunak  utama  digunakan  untuk  perancangan  dan perhitungan  sebagai  alat  bantu  simulasi  dan  pemodelan  dinamik.  Data-data  spesifikasi  mesin micro  steam turbine digunakan  untuk  merepresentasikan  sistem real untuk  meniru  karakteristik  dari  mesin micro  steam turbine .  Pembuatan  model  dimulai  dengan  mempelajari  dan  mengumpulkan  literatur  mengenai  pemodelan dan  simulasi  terkait  karakteristik  respon  pembangkit  terhadap  pembebanan  yang  berbeda-beda.  Kemudian, mengetahui perencanaan pembuatan sitem yang diusulkan sesuai dengan komponen yang digunakan pada Simulink Matlab dan sesuai dengan tujuan penelitian. Lalu, menganalisis data respon tegangan dan frekuensi pada sistem pembangkitan dengan penggerak mula microsteam turbine dengan Simulink Matlab.

## A. Singkatan dan Akronim
Beberapa  singkatan  dan  akronim  yang  digunakan  dalam  penulisan  artikel  ini  dapat  dituliskan  sebagai berikut:
 PRV
= Pressure Reducing Valve
 bhp = Break Horse Power
 PID
= Proportional-Integral-Derivative  GHz
= Giga Hertz

## B. Satuan
Beberapa satuan yang digunakan dalam penulisan artikel ini adalah sebagai berikut:
 Hz
= Hertz
 Lb = Pound
 hr
= Hour
 kWe = kilo Watt elektrik
 in. (W)  = inch (Width)
 in. (L) = inch (Length)  in. (H) = inch (Hight)  dbA = desibel dalam kelas A  kW = kilo Watt
 kg = kilogram  s = secon  kkal = kilo kalori

## C. Persamaan-persamaan
Beberapa persamaan yang digunakan dalam penulisan artikel ini adalah sebagai berikut:
Pada  persamaan  (1)  berikut  merepresentasikan  persamaan  untuk  aliran  uap  pada micro  steam  turbine , dimana:
 dW = perubahan berat uap (kg)
 dt = perbahan waktu (s)
 V = volume uap (m 3 )  d 𝜌 = perubahan kerapatan uap (kg/m 3 )  F in (t) = aliran massa uap masuk (kg/s)
 F out (t) = aliran massa uap keluar (kg/s)
(1)
Pada persamaan (2) berikut merepresentasikan persamaan daya internal turbin, dimana:
 P in = Daya internal turbin (W)
 G o = Laju aliran massa uap (kg/s)
 H i
= Penurunan panas ( heat drop ) pada turbin (kkal/kg)
𝑃 𝑖𝑛 =   𝐺 0 . 𝐻 𝑖 (2)
Pada persamaan 3 berikut merepresentasikan persamaan daya efektif turbin, dimana:
 Peff        = Daya efektif (W)
 T = Momen torsi (kg.m)
 𝜔 = kecepatan sudut (rad/s)
 n
= putaran poros (rpm)
𝑃 𝑒𝑓𝑓 = 𝑇. 𝜔 (3)
Pada persamaan 4 berikut merepresentasikan persamaan karakteristik micro steam turbine , dimana:
 y          = fungsi karakteristik micro steam turbine
 F = fungsi empiris micro steam turbine
 x 1 , x 2 = variabel karakteristik micro steam turbine
y  F ( x 1 , x 2 , x 3 ,....., x n ) (4)
Pada persamaan 5 berikut merepresentasikan persamaan subsistem voltage regulator , dimana:
 v fd = Tegangan medan (V)
 K e = Gain  T e
= Waktu konstan (s)
𝑉 𝑓𝑑 𝑒𝑓 = 1 𝐾𝑒+𝑠𝑇𝑒
(5)
Pada persamaan 6 berikut merepresentasikan persamaan low pass filter , dimana:
 s               = fungsi Laplace
1 0,02𝑠+1 (6)
Pada persamaan 7 berikut merepresentasikan persamaan lead lag compensator :
1 1 (7)
Pada persamaan 8 berikut merepresentasikan persamaan main regulator :
300 0,001𝑠+1 (8)
Pada persamaan 9 berikut merepresentasikan persamaan damping : 0,001𝑠 0,1𝑠+1 (9)

## D. Diagram alir penelitian
Penyelesaian  tugas  akhir  dilakukan  dalam  beberapa  tahap,  untuk  mempermudah  pelaksanaan  tersebut diperlukan diagram alir tugas akhir seperti pada Gambar 3 berikut.

## IV.  HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Pemodelan Dinamik Micro Steam Turbine dengan Beban Resistif
Microsteam turbine yang ditinjau dan diteliti dalam studi ini memiliki kapasitas maksimum sebesar 275 kW, tegangan  380  V,  dan  frekuensi  50  Hz.  Dalam  pemodelan  dinamik  yang  dilakukan  dengan  memberikan input laju aliran uap sebesar 10000 lb/hr dengan tiga inlet steam pressure yakni 125 to 15 psig, 150 to 30 psig,  dan  200  to  60  psig  dengan  total  beban  1  MW  untuk  percobaan  beban  resistif  murni  serta  0.4  + 0.24 MVAr untuk percobaan beban RLC, beban dipasang sebagai beban konstan impedan. Input laju aliran uap diatur secara fixed sehgingga akan menghasilkan daya keluaran yang dapat dikontrol untuk merespon perubahan  beban  dengan  menggunakan  waktu  simulasi  selama  10  detik  dan  beberapa  skenario  tersebut yaitu dengan menginputkan steam load sebesar 10000 lb/hr dengan inlet  steam  pressure 125  to  15  psig, inlet  steam  pressure 150  to  30  psig dan inlet  steam  pressure 200 to  60  psig  terhadap  beban  resistif  dan beban  kompleks,  mekanisme load  shedding ,  dan  mekanisme  saat  terjadi  gangguan  tiga  phasa,  sehingga respon microsteam  turbine dapat  dianalisis.    Gambar  4  menunjukkan  pemodelan  dinamik  micro  steam turbine dengan inlet steam pressure 125 to 15 psig.
Gambar 4. Pemodelan dinamik micro steam turbine dengan inlet steam pressure 125 to 15 psig
B. Hasil simulasi Pemodelan Dinamik Micro Steam Turbine
Hasil simulasi pemodelan dinamik dari micro steam turbine untuk frekuensi sistem, daya aktif, daya reaktif, tegangan dan arus dapat dilihat pada Gambar 5, 6, 7, 8, dan 9.

## 1) Frekuensi sistem
Gambar 5. Karakteristik frekuensi beban resistif dengan inlet steam pressure 125 to 15 psig

## 2) Daya aktif
Gambar 6. Karakteristik daya aktif beban resistif dengan inlet steam pressure 125 to 15 psig

## 3) Daya reaktif

## 4) Tegangan
Gambar 8. Karakteristik tegangan beban resistif dengan inlet steam pressure 125 to 15 psig

## 5) Arus
Gambar 9. Karakteristik tegangan beban resistif dengan inlet steam pressure 125 to 15 psig

## C. Analisa
Pada  sistem  yang  menggunakan  beban  resistif  dengan  jumlah  total  beban  1  MW,  menunjukkan karakteristik  beban  resistif  dengan  inlet  steam  pressure  125  to  15  psig  dan  diberikan  input  laju  aliran  uap sebesar  10000  lb/hr  menghasilkan  daya  output  sebesar  230  kW  dan  menunjukkan  frekuensi  yang  terukur bernilai  50,16  Hz  pada  waktu  5,027  detik  dari  frekuensi  sebelumnya  yang  bernilai  50  Hz,  lalu  berosilasi selama  2,441  detik  dan  kemudian  stabil  pada  waktu  7,468  detik  dengan  frekuensi  kembali  bernilai  50  Hz. Daya aktif (P) kondisi sistem dengan semua beban bersifat resistif, menunjukkan penurunan nilai daya aktif dari sebelumnya 4,988 kW menjadi 0,2132 kW pada waktu 5,028 detik, lalu berosilasi selama 0,262 detik dan pada  waktu  5,29  detik  daya  aktif  berada  dalam  keadaan  stabil  kembali  pada  nilai  0,1378  kW  seperti  yang ditunjukkan  pada  gambar  4.17.  Pada  karakteristik  daya    reaktif  menunjukkan  kondisi  daya  reaktif  (Q) menunjukkan nilai 18,35 Var pada waktu 5,016 detik dan mengalami penurunan dengan nilai 404,9 Var dari yang sebelumnya bernilai 1,297 kVar, lalu berosilasi selama 0,357 detik dan kembali stabil pada nilai yakni  - 235,4  Var  pada  waktu  5,373  detik.  Lalu,  tegangan  mengalami  kenaikan  sebesar  1,711  pu  dan  kemudian berosilasi selama 0,273 detik dan kembali berada pada kondisi stabil pada nilai tegangan sebesar 0,9998 pu pada  waktu  5,278  detik.  Kondisi  menunjukkan  nilai  arus  sebesar  350,8  A  pada  waktu  5,009  detik,  lalu berosilasi selama 0,399 detik dan berada dalam keadaan stabil pada waktu 5,408 detik dengan nilai 198,5 A.

## V.  KESIMPULAN
Beradasarkan  penelitian  yang  telah  dilakukan  didapatkan,  kecepatan  respon micro  steam  turbine dapat dikontrol dengan mengatur pada aliran massa uap yang dialirkan ke turbin setelah mendapatkan perintah dari governor  dalam  mengontrol positioning  valve dan  didapatkan  hasil  bahwa lookup  table dapat  dimodelkan sebagai microsteam  turbine yang  merupakan  karakteristik  dari microsteam  turbine termasuk  kinerja  dan performansinya dalam mengatur laju aliran uap.

## D AFTAR P USTAKA
[1]  A.Al-Hinai,  A.  Feliachi.,  "Dynamic  Model  of  a  microturbine  used  as  a  distributed  Generator,"  in  Proc.  341h  Southeastern Symposium on sistem Theory, pp. 209-2013, 2002
[2]  A. Malmquist,  O. Aglen,  E. Keller,  M. Suter, dan J. Wickstrom., "Microturbines: Speeding the shift to distributed heat and power," ABB Review, no. 3, pp. 22-30, Mar. 2000.
[3]  A.M. Borbely   dan   JF.   Kreider, Distributed   generation-The PowerParadigmforthe New Millennium, CRC Press, 2001.
[4]  CM. Ong,  Dynamic  Simulation  of  Electric  Machinery,  Prentice  Hall, 1998
[5]  S.K.  N ayak,  D.N.  Gaonkar ,  “Modeling  and  performance  analysis      of    microturbine    generation      system    in  Grid Connected/Islanding operation, ” International journal of renewable energy research, Vol.2, No.4, 2012.