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.
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
- M.P. Bahrman dan B.K. Johnson, The ABCs of HVDC Transmission Technologies, IEEE Power & Energy Magazine.
- W. Long dan S. Nilsson, HVDC Transmission: Yesterday and Today, IEEE Power & Energy Magazine.
- N. Flourentzou, V.G. Agelidis, dan G.D. Demetriades, VSC-based HVDC Power Transmission System: An Overview, IEEE Trans. on Power Electronics.
- B.R. Andersen, HVDC Transmission – Opportunities and Challenges, IEEE paper.
- M. Hirose, S. Hara, dan Y. Makino, Outline of the Kii Channel HVDC Link, IEEE paper. *Gambar sampul diambil dari http://pterra.us
0 comments