Memahami HVDC (transmisi daya arus searah)

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 tabungmercury-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.

Gambar 1. Perkembangan saklar statis untuk HVDC [1

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.

Gambar 2. Total kapasitas HVDC [2]

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.

“]

Gambar 3. CSC-HVDC [3

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.

“]

Gambar 4. VSC-HVDC [3

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.

“]

Gambar 5. Konfigurasi HVDC back-to-back [3

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.

“]

Gambar 6. Konfigurasi HVDC monopolar [3

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.

“]

Gambar 7. Konfigurasi HVDC bipolar [3

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.

“]

Gambar 8. Konfigurasi HVDC multiterminal [3

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.