Memahami HVDC
Pemakaian High Voltage Direct Current transmission (HVDC)
atau dalam istilah Bahasa Indonesia dikenal sebagai transmisi daya arus searah (TDAS) sebenarnya sudah
dimulai sejak awal pertama kali listrik dikembangkan. Thomas Alva Edison
berhasil membuat jaringan listrik berkapasitas 6 x 100kW untuk menyalakan 1200
bohlam lampu menggunakan arus searah pada tahun 1882. Walaupun pada
perkembangannya, sistem dc yang dikembangkan Edison ternyata ‘kalah’ bersaing
dengan sistem ac yang diusulkan oleh Westinghouse dan Tesla namun sistem dc ini
telah menandai dimulainya era baru, era listrik. Lebih dari 70 tahun kemudian,
sistem transmisi dc mulai dipakai kembali setelah ditemukannya tabung mercury-arc di akhir tahun 1920-an. Proyek HVDC
komersil pertama kali berhasil dibangun tahun 1950 menggunakan kabel laut untuk
menghubungkan Swedia dengan P. Gotland dengan kapasitas 20MW pada tegangan
100kV.
Pada tulisan ini akan
dipaparkan secara ringkas teknologi, konfigurasi, dan aplikasi dari transmisi
daya arus searah (HVDC).
***
HVDC mulai dipakai kembali karena teknologi tabung/mercury-arc sudah mulai mapan sehingga konverter
daya ac/dc atau dc/ac bisa dibuat, suatu hal yang tidak bisa dilakukan pada
tahun 1880-an yang mengakibatkan sistem arus searah Edison kalah dari sistem
arus bolak-balik Westinghouse. Teknologi tabung mercury-arc sendiri
hanya bertahan sekitar 20 tahun sampai ditemukannya thyristor pada sekitar
tahun 1970. Thyristor ini yang menjadi dasar perkembangan pesat dari teknologi
HVDC karena bisa dibuat untuk keperluan daya besar, dibandingkan
transistor/IGBT yang dengan teknologi saat ini memiliki kapasitas daya lebih kecil
daripada thyristor. Satu dekade terakhir, perkembangan teknologi IGBT
memungkinkan konverter untuk HVDC dibuat dengan menggunakan IGBT (Gambar 1),
walaupun kapasitas dayanya masih lebih kecil daripada sistem HVDC yang
menggunakan konverter thyristor.
Dimulai dari 20MW di Swedia, sekarang ini sudah lebih dari 100 jalur
transmisi HVDC yang aktif di dunia dengan total kapasitas mencapai lebih dari
80GW (Gambar 2) tersebar mulai dari Amerika Utara, Skandinavia, Jepang, China,
India, Brazil, dsb. Dimulai dari tegangan 100 kV hingga sekarang mencapai
500kV, dan 800kV sedang dalam tahap pembangunan. Beberapa proyek HVDC yang
cukup terkenal diantaranya Gotland HVDC di Swedia selain HVDC pertama juga
merupakan HVDC yang menggunakan thyristor pertama kali; Itaipu HVDC di Brazil
(2 x 3150MW, +/- 500kV, 800 km) yang merupakan sistem HVDC terbesar saat ini,
Kii-Channel HVDC di Jepang (1400MV, +/- 250kV) yang menggunakan thyristor light-triggered 8kV – 3500A.
Teknologi HVDC
Terdapat 2 jenis teknologi konverter ac/dc/ac yang digunakan pada sistem
HVDC saat ini. HVDC yang menggunakan Current source converter (CSC)
komutasi jala-jala menggunakan thyristor dan HVDC yang menggunakan Voltage source converter (VSC) yang menggunakan
IGBT.
Teknologi CSC-HVDC sudah sangat mapan
untuk konverter berdaya sangat besar. Untuk keperluan diatas 1000MW teknologi
ini menjadi satu-satunya pilihan saat ini. Itaipu HVDC adalah sistem HVDC
terbesar saat ini yang beroperasi secara komersil menggunakan CSC-HVDC. Proyek
CSC-HVDC terbesar yang sedang dibangun saat ini adalah Xiangjiaba – Shanghai
HVDC yang mentransmisikan daya 6400MW pada 800kV sejauh 2071 km.
Komutasi jala-jala merupakan salah satu
kelemahan yang ada pada CSC-HVDC, akibatnya pada HVDC yang menggunakan CSC
diperlukan jaringan arus bolak-balik yang kuat di sisi kirim maupun sisi
terima. Gambar 3 menunjukkan HVDC yang menggunakan CSC.
VSC-HVDC merupakan perkembangan terbaru
dari teknologi HVDC. Hampir sejak satu dekade terakhir, beberapa proyek
VSC-HVDC berhasil dibangun dan mencapai tahap komersil. Keunggulan VSC-HVDC
dibanding CSC-HVDC adalah kemampuannya untuk komutasi tanpa bergantung kondisi
jala-jala, pengaturan daya aktif dan reaktif yang independen, serta kemampuan
untuk black-start. Keunggulan tersebut membuat VSC-HVDC menarik untuk aplikasi
penyaluran daya ke beban berjarak jauh yang tidak memiliki sumber jala-jala
lokal, seperti pada anjungan lepas pantai, dsb.
Kelemahan VSC-HVDC adalah teknologi IGBT
sekarang belum mampu untuk melayani transmisi daya berkapasitas besar seperti
halnya CSC-HVDC. Proyek VSC-HVDC terbesar saat ini adalah Ciprivi Line HVDC di
Namibia yang berkapasitas 300MW pada 350kV sejauh 970 km. Gambar 4 menunjukkan
HVDC yang menggunakan VSC.
Konfigurasi HVDC
Pemilihan konfigurasi sangat bergantung
pada kondisi lokal, tujuan, dan faktor ekonomi. Baik VSC ataupun CSC-HVDC dapat
menggunakan konfigurasi yang sama, modifikasi dapat dilakukan bergantung
kondisi lokal masing-masing.
Back-to-back
Konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar
5. Pada konfigurasi ini gardu induk konverter berada pada lokasi yang sama dan
tidak menggunakan saluran arus searah jarak jauh. Umumnya konfigurasi ini
berfungsi sebagai interkoneksi frekuensi antara dua sistem arus bolak-balik
yang berdekatan, walaupun konfigurasi ini juga bisa dipakai pada interkoneksi
dua sistem arus bolak-balik yang memiliki frekuensi yang sama.
Monopolar
Konfigurasi ini
ditunjukkan pada Gambar 6. Pada konfigurasi ini dua gardu induk konverter
dipisahkan menggunakan satu saluran arus searah berjarak jauh, berbeda dengan
konfigurasi back-to-back yang hanya
membutuhkan satu lokasi saja. Saluran arus searah yang dipakai hanya memiliki 1
kutub tegangan, bisa positif saja atau negatif saja, sehingga tanah diperlukan
sebagai saluran balik arus.
Bipolar
Konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar
7. Pada konfigurasi ini dua gardu induk konverter dipisahkan menggunakan dua
saluran arus bolak-balik yang berbeda kutub tegangan, satu positif dan satu
lagi negatif. Relatif terhadap tanah, konfigurasi bipolar merupakan dua buah
konfigurasi monopolar yang berbeda kutub tegangan, sehingga masing-masing
monopolar dapat dioperasikan secara independen. Pada keadaan normal arus yang
mengalir melalui tanah akan bernilai nol akibat dua kutub monopolar yang
berbeda. Keunggulan konfigurasi ini adalah salah satu kutub tegangan tetap
dapat beroperasi ketika kutub tegangan yang lainnya tidak beroperasi akibat
gangguan atau alasan lain. Reliabilitas konfigurasi ini lebih baik daripada
konfigurasi monopolar.
Multiterminal
Konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar
8. Konfigurasi ini adalah perluasan dari konfigurasi bipolar dengan menempatkan
gardu konverter baru di tengah-tengah saluran bipolar. Jumlah saluran masuk di
tengah-tengah konfigurasi bipolar tidak dibatasi hanya satu, melainkan bisa
banyak sesuai dengan keperluan.
Pemanfaatan HVDC
Penggunaan sistem transmisi arus
bolak-balik yang sudah menyeluruh memang memberikan keuntungan harga yang lebih
kompetitif karena pasar dan produsen sudah sama-sama mapan, dibandingkan dengan
transmisi HVDC yang masih relatif lebih sedikit pemakainya. Namun sistem HVDC
akan dipandang lebih menguntungkan dibandingkan sistem ac pada beberapa
aplikasi tertentu.
Transmisi jarak jauh
Pada transmisi daya besar dengan jarak
yang jauh, HVDC memberikan alternatif yang kompetitif secara ekonomi terhadap
sistem transmisi arus bolak-balik Terlepas dari adanya tambahan rugi-rugi
akibat penggunaan konverter dibandingkan pada sistem arus bolak-balik,
rugi-rugi saluran pada transmisi HVDC bisa lebih kecil 30%-50% dari ekuivalen
saluran arus bolak-balik pada jarak yang sama. Pada jarak yang sangat jauh,
sistem transmisi arus bolak-balik membutuhkan gardu induk di tengah saluran dan
juga kompensasi reaktif. Dibandingkan dengan transmisi arus searah yang tidak
memerlukan gardu induk intermediet. Jarak tipikal yang dianggap pemakaian
sistem HVDC akan menguntungkan secara ekonomis daripada transmisi arus searah
adalah sekitar 500 km keatas.
Penggunaan kabel
Pada kasus jika penggunaan kabel
diperlukan, seperti pada transmisi yang melewati laut, atau transmisi yang
dirancang bawah tanah, penggunaan HVDC memberikan keuntungan lebih secara
ekonomis daripada penggunaan kabel arus bolak-balik. Permasalahan lain pada
penggunaan kabel dengan sistem arus bolak-balik adalah penurunan kapasitas daya
kabel karena jarak yang jauh akibat daya reaktif yang cukup tinggi. Ini
dikarenakan karakteristik kabel yang memiliki kapasitansi yang lebih besar dan
induktansi yang lebih kecil daripada ekuivalen konduktor udara.
Interkoneksi frekuensi
Interkoneksi antara 2 area yang berbeda
frekuensi hanya bisa dilakukan dengan menggunakan HVDC untuk menjamin
kelangsungan operasi yang handal. Contohnya adalah gardu induk Shin-Shinano 600
MW yang menghubungkan Jepang bagian barat yang berfrekuensi 60 Hz dengan Jepang
bagian timur yang berfrekuensi 50 Hz. Tidak hanya pada kasus seperti
Shin-Shinano yang beda frekuensi operasi diantara dua terminalnya, beberapa
kasus lain menggunakan konverter frekuensi HVDC untuk menghubungkan antara dua
perusahaan listrik yang berbeda. Selain untuk pengaturan aliran daya, hal ini
dimaksudkan untuk melindungi area perusahaan satu dari fluktuasi frekuensi di
perusahaan tetangga disamping juga untuk mencegah menjalarnya gangguan akibat
dari perusahaan tetangga.
Kesimpulan
Pada tulisan ini telah dipaparkan
teknologi, konfigurasi, dan aplikasi dari transmisi daya arus searah (HVDC).
Pada aplikasi tertentu transmisi HVDC memiliki keuntungan dibandingkan
transmisi arus bolak-balik.
Referensi
1. M.P. Bahrman dan B.K. Johnson, The ABCs of HVDC Transmission Technologies,
IEEE Power & Energy Magazine.
2. W. Long dan S. Nilsson, HVDC Transmission: Yesterday and Today, IEEE Power
& Energy Magazine.
3. N. Flourentzou, V.G. Agelidis, dan G.D. Demetriades, VSC-based HVDC Power Transmission
System: An Overview, IEEE Trans. on Power Electronics.
4. B.R. Andersen, HVDC Transmission – Opportunities and Challenges, IEEE
paper.
5. M. Hirose, S. Hara, dan Y. Makino, Outline of the Kii Channel HVDC Link,
IEEE paper.
Comments
Post a Comment