Konfigurasi Sistem Arus Searah Tegangan Tinggi (HVDC)

Arus Searah Tegangan Tinggi, biasa disingkat HVDC, adalah metode yang sangat efisien untuk transmisi daya jarak jauh, mengurangi kerugian daya secara signifikan dibandingkan dengan transmisi arus bolak-balik (AC) tradisional. Sistem HVDC dapat diimplementasikan dalam berbagai konfigurasi, masing-masing disesuaikan dengan persyaratan operasional tertentu. Artikel ini memberikan gambaran singkat tentang jenis utama konfigurasi sistem HVDC.

Sistem HVDC Back-to-Back

Dalam konfigurasi HVDC back-to-back (B2B), kedua komponen utama dari konverter, yaitu rectifier dan inverter, ditempatkan dalam stasiun terminal yang sama. Kedua elemen konverter ini terhubung langsung satu sama lain. Fungsi utama dari konfigurasi ini adalah untuk menghubungkan dua sistem tenaga AC yang terpisah. Ini dicapai dengan pertama-tama mengubah daya AC masuk menjadi DC melalui rectifier, kemudian segera mengubah kembali daya DC menjadi AC menggunakan inverter.

Sistem HVDC Back-to-Back (Lanjutan)

Pengaturan HVDC back-to-back dipasang dalam satu ruangan dan berfungsi untuk menghubungkan dua sistem tenaga AC asinkron. Dengan koneksi langsung back-to-back antara rectifier dan inverter, tidak diperlukan garis transmisi DC. Untuk meminimalkan jumlah thyristor yang terhubung seri, tegangan DC intermediate sengaja dipertahankan pada tingkat rendah. Sementara itu, rating arus dari konfigurasi ini dapat mencapai beberapa ribu amper.

Jenis sistem HVDC ini sangat berguna untuk menghubungkan dua sistem tenaga AC asinkron dalam skenario berikut:

• Ketika dua sistem AC atau jaringan tenaga beroperasi pada frekuensi yang berbeda.

• Ketika kedua sistem memiliki frekuensi yang sama tetapi menunjukkan perbedaan fase.

Sistem HVDC Dua Terminal

Dalam konfigurasi HVDC dua terminal, terdapat dua stasiun terminal yang berbeda, masing-masing berfungsi sebagai stasiun konverter. Satu stasiun menyimpan rectifier, sementara yang lain berisi inverter. Kedua terminal ini dihubungkan oleh garis transmisi HVDC, memungkinkan transmisi daya listrik secara efisien dalam jarak jauh. Pengaturan ini dirancang untuk mengatasi batasan transmisi AC tradisional untuk transfer daya jarak jauh, memanfaatkan keuntungan daya DC untuk meminimalkan kerugian daya dan meningkatkan efisiensi transmisi di seluruh area geografis yang luas.

Sistem HVDC dua terminal memiliki koneksi langsung antara dua titik tanpa garis transmisi paralel atau tap intermediet sepanjang garis transmisi. Karakteristik ini memberi nama alternatifnya, transmisi daya titik-ke-titik. Sistem ini sangat cocok untuk aplikasi pasokan daya antara dua lokasi yang berjauhan secara geografis.

Salah satu keunggulan utama dari sistem HVDC dua terminal adalah tidak memerlukan pemutus sirkuit HVDC. Dalam kasus perawatan atau saat membersihkan gangguan, pemutus sirkuit AC di sisi AC dapat digunakan untuk melepaskan energi dari garis DC. Dibandingkan dengan pemutus sirkuit DC, pemutus sirkuit AC memiliki desain yang lebih sederhana dan datang dengan biaya yang lebih rendah, membuat sistem HVDC dua terminal lebih ekonomis dan mudah dipelihara.

Sistem Multi-Terminal DC (MTDC)

Sistem Multi-Terminal DC (MTDC) mewakili konfigurasi HVDC yang lebih kompleks. Ia menggunakan beberapa garis transmisi untuk menghubungkan lebih dari dua titik. Pengaturan ini terdiri dari beberapa stasiun terminal, masing-masing dilengkapi dengan konverter sendiri, semua saling terhubung oleh jaringan garis transmisi HVDC. Dalam jaringan ini, beberapa konverter berfungsi sebagai rectifier, mengubah daya AC menjadi DC, sementara yang lain beroperasi sebagai inverter, mengubah kembali daya DC menjadi AC untuk didistribusikan ke beban. Prinsip dasar dari sistem MTDC adalah bahwa total daya yang disuplai oleh stasiun rectifier harus sama dengan daya gabungan yang diterima oleh stasiun inverter (beban), memastikan aliran daya yang seimbang dan efisien di seluruh jaringan yang terhubung.

Sistem Multi-Terminal DC (MTDC) (Lanjutan)

Jaringan MTDC mirip dengan grid AC dalam hal fleksibilitas, tetapi menawarkan keunggulan unik: kemampuan untuk mengontrol aliran daya dengan tepat dalam jaringan distribusi DC. Namun, fungsi yang ditingkatkan ini datang dengan biaya peningkatan kompleksitas, membuat sistem MTDC jauh lebih rumit daripada konfigurasi HVDC dua terminal.

Dalam pengaturan MTDC, mengandalkan pemutus sirkuit AC di sisi AC tidak layak. Berbeda dengan sistem dua terminal, menggunakan pemutus sirkuit AC akan melepaskan energi dari seluruh jaringan DC bukan hanya mengisolasi garis yang bermasalah atau membutuhkan perawatan. Untuk mengatasi hal ini, sistem MTDC memerlukan beberapa komponen switchgear DC, seperti pemutus sirkuit. Pemutus sirkuit DC khusus ini dirancang untuk melepaskan sirkuit dengan aman atau mengisolasi bagian tertentu selama operasi perawatan atau saat membersihkan gangguan, memastikan stabilitas dan keandalan jaringan.

Memelihara keseimbangan sistem sangat penting dalam sistem MTDC. Total arus yang disuplai oleh stasiun rectifier harus sesuai dengan arus yang dikonsumsi oleh stasiun inverter. Ketika ada lonjakan tiba-tiba dalam permintaan daya dari stasiun inverter mana pun, output daya DC perlu dinaikkan sesuai untuk memenuhi beban yang meningkat. Selama proses ini, penting untuk memantau dan mengontrol baik tegangan yang disuplai maupun operasi inverter untuk mencegah overload, yang dapat menyebabkan kegagalan sistem.

Salah satu kekuatan utama sistem MTDC adalah keandalannya selama pemadaman paksa. Jika terjadi kegagalan daya yang tak terduga di salah satu stasiun pembangkit, sistem dapat dengan cepat merutekan ulang daya melalui stasiun konverter alternatif, meminimalkan gangguan pada pasokan daya keseluruhan.

Aplikasi MTDC

• Integrasi Energi Terbarukan: Memfasilitasi koneksi beberapa peternakan energi terbarukan berbasis DC ke berbagai jaringan tenaga, memungkinkan distribusi energi bersih secara efisien.

• Tenaga Angin Lepas Pantai: Membuat koneksi beberapa peternakan angin lepas pantai ke jaringan tenaga darat, mengatasi tantangan terkait dengan transmisi jumlah besar daya dari lokasi lepas pantai yang jauh.

• Transfer Daya Besar: Memungkinkan transfer daya skala besar dari beberapa stasiun pembangkit AC jauh ke beberapa pusat beban, mengoptimalkan distribusi daya di seluruh wilayah yang luas.

• Koneksi Grid: Memungkinkan interkoneksi antara dua sistem tenaga AC asinkron, meningkatkan stabilitas grid dan kemampuan pertukaran daya.

• Realokasi Pasokan Daya: Memungkinkan realokasi pasokan daya jika terjadi kegagalan daya di stasiun pembangkit individu, memastikan penyampaian daya yang berkelanjutan kepada konsumen.

• Dukungan Jaringan AC: Dapat menyediakan daya tambahan ke jaringan AC yang sangat terbebani dengan menggunakan satu rectifier dan beberapa inverter untuk menyuntikkan daya ke jaringan AC, mengurangi kepadatan dan meningkatkan kinerja grid secara keseluruhan.

• Pengambilan Daya Fleksibel: Menawarkan fleksibilitas untuk mengambil daya di beberapa titik dalam jaringan, menyesuaikan dengan permintaan daya dan kebutuhan distribusi yang beragam.

Sistem MTDC dapat dikategorikan menjadi dua jenis utama:

Sistem MTDC Seri

Dalam konfigurasi MTDC seri, beberapa stasiun konverter dihubungkan secara seri, seperti komponen dalam rangkaian listrik seri. Karakteristik yang mendefinisikan pengaturan ini adalah bahwa arus yang mengalir melalui setiap stasiun konverter tetap identik, karena ditetapkan oleh salah satu stasiun. Namun, penurunan tegangan tersebar di antara stasiun konverter, dengan setiap stasiun mengalami sebagian dari total penurunan tegangan di jaringan yang terhubung seri.

Sistem MTDC Seri (Lanjutan)

Sistem MTDC seri dapat dianggap sebagai versi diperpanjang dari sistem HVDC dua terminal, dengan beberapa stasiun konverter yang dihubungkan secara seri, seperti yang ditunjukkan dalam diagram yang menyertainya. Secara umum, stasiun konverter dalam pengaturan MTDC seri memiliki kapasitas yang lebih rendah dibandingkan dengan yang digunakan dalam sistem MTDC paralel.

Sistem ini biasanya menggunakan tautan DC monopolar, di mana garis DC di-ground pada satu titik tertentu. Untuk melindungi terhadap lonjakan listrik sementara, kapasitor grounding dapat dipasang di titik lain sepanjang garis sebagai langkah perlindungan tambahan.

Koordinasi isolasi dalam sistem MTDC seri menimbulkan tantangan signifikan karena tegangan DC yang bervariasi di setiap stasiun. Mekanisme kontrol aliran daya dalam sistem MTDC seri lebih rumit dibandingkan dengan sistem MTDC paralel. Dalam sistem MTDC paralel, aliran daya dapat diatur dengan menyuntikkan arus ke garis tertentu, sementara dalam sistem MTDC seri, kontrol aliran daya bergantung pada penyesuaian tegangan di setiap stasiun terminal.

Reversal aliran daya dalam sistem MTDC seri dapat dengan mudah dicapai menggunakan Voltage Source Converters (VSC) dan Current Source Converters (CSC). Namun, ketika terjadi gangguan atau perawatan yang direncanakan untuk garis tertentu, seluruh jaringan DC akan mengalami pemadaman. Sama seperti sistem HVDC dua terminal, pemutus sirkuit sisi AC digunakan untuk melepaskan energi dari jaringan DC. Ekspansi sistem MTDC seri juga menimbulkan kesulitan. Instalasi stasiun terminal baru memerlukan pemadaman lengkap dari jaringan, karena jaringan DC berbentuk cincin harus dipotong di titik instalasi, mengganggu pasokan daya ke semua stasiun lain sepanjang jalur tersebut.

Sistem MTDC Paralel

Dalam sistem MTDC paralel, beberapa stasiun konverter yang berfungsi sebagai inverter atau stasiun beban dihubungkan ke satu stasiun konverter yang berfungsi sebagai rectifier. Stasiun rectifier ini mensuplai daya ke seluruh jaringan DC. Analog dengan rangkaian listrik paralel, tegangan tetap konstan di semua stasiun inverter atau beban, dengan nilai yang ditetapkan oleh salah satu stasiun konverter. Sebaliknya, suplai arus bervariasi sesuai dengan permintaan daya di setiap stasiun. Untuk mempertahankan suplai arus yang seimbang, arus disesuaikan secara dinamis menanggapi kebutuhan daya stasiun beban individual. Secara umum, stasiun terminal dalam sistem MTDC paralel memiliki kapasitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan jaringan MTDC seri.

Sistem MTDC Paralel (Lanjutan)

Reversal aliran daya dalam sistem MTDC paralel dapat dicapai melalui metode reversal tegangan atau reversal arus. Ketika menggunakan reversal tegangan, yang biasanya terkait dengan stasiun terminal berbasis Current Source Converter (CSC), ini memiliki dampak pada semua stasiun konverter. Oleh karena itu, sistem kontrol dan komunikasi yang sangat canggih harus diimplementasikan di antara konverter-konverter ini untuk mengelola efek ini. Di sisi lain, jika reversal aliran daya dicapai menggunakan teknik reversal arus, yang sering terkait dengan stasiun terminal berbasis Voltage Source Converter (VSC), prosesnya jauh lebih mudah untuk dieksekusi. Inilah alasan utama mengapa VSC lebih disukai daripada CSC dalam sistem MTDC paralel.

Dalam sistem MTDC berbasis VSC, karena tegangan tetap konstan, peringkat daya stasiun terminal ditentukan oleh peringkat arus valve converter. Konfigurasi ini menawarkan keunggulan signifikan dalam hal kontrol aliran daya dalam jaringan DC. Dapat mengatur aliran daya dengan tepat dengan menyuntikkan arus ke garis tertentu, yang merupakan pendekatan yang lebih nyaman dibandingkan dengan mekanisme kontrol daya dalam sistem seri yang bergantung pada kontrol tegangan di setiap stasiun.

Salah satu fitur paling menonjol dari sistem MTDC paralel adalah ketahanannya terhadap gangguan. Jika terjadi gangguan di salah satu stasiun terminal, sisa jaringan DC tetap tidak terpengaruh. Namun, untuk mengisolasi garis DC tertentu yang terkait dengan stasiun yang bermasalah, diperlukan pemutus sirkuit DC terpisah. Selain itu, selama ekspansi jaringan DC, tidak perlu menghentikan pasokan daya. Ini karena stasiun terminal baru dapat dipasang secara paralel dengan garis yang ada, memastikan integrasi yang mulus tanpa mengganggu distribusi daya yang sedang berlangsung.

Keuntungan lain dari sistem MTDC paralel adalah koordinasi isolasi yang relatif sederhana dibandingkan dengan sistem seri. Dengan tegangan yang konstan di seluruh jaringan, persyaratan isolasi lebih mudah dikelola.

Sistem MTDC paralel dapat diklasifikasikan lebih lanjut menjadi dua kategori:

Sistem MTDC Radial

Sistem MTDC radial adalah jenis spesifik dari konfigurasi MTDC paralel. Dalam pengaturan ini, jika ada putusnya garis transmisi atau penghapusan satu tautan, akan menyebabkan gangguan pasokan daya ke satu atau lebih stasiun konverter. Karakteristik ini membuat sistem MTDC radial agak rentan terhadap skenario gagal tunggal, karena gangguan apa pun di garis transmisi dapat memiliki dampak langsung pada pasokan daya ke bagian tertentu dari jaringan.

Gambar yang disediakan menunjukkan konfigurasi di mana empat stasiun inverter dihubungkan ke satu stasiun rectifier. Dalam pengaturan ini, jelas bahwa jika ada putusnya salah satu garis, akan mengakibatkan gangguan pasokan daya ke setidaknya satu stasiun terminal. Kerentanan ini membuat sistem MTDC radial kurang andal dibandingkan dengan sistem MTDC Mesh atau Ring.

Sistem MTDC Mesh (Ring)

Dalam sistem MTDC Mesh atau Ring, stasiun inverter (beban) dihubungkan dengan satu stasiun rectifier dalam formasi mesh atau lingkaran. Salah satu keunggulan utama dari konfigurasi ini adalah bahkan jika ada putusnya satu garis transmisi atau penghapusan satu tautan, tidak akan mengakibatkan gangguan pasokan daya ke stasiun inverter manapun. Gambar berikut menunjukkan sistem MTDC Mesh atau Ring. Ketahanan inheren terhadap kegagalan garis ini membuat sistem MTDC Mesh atau Ring menjadi pilihan yang lebih andal untuk transmisi dan distribusi daya dalam aplikasi tertentu, karena dapat lebih baik menahan gangguan dan memastikan pasokan daya yang berkelanjutan ke stasiun beban yang terhubung.

Seperti yang ditunjukkan, dalam sistem MTDC mesh atau ring, penghapusan tautan tunggal tidak mengganggu pasokan daya ke stasiun konverter manapun. Sebaliknya, daya listrik secara otomatis dialihkan melalui tautan alternatif dalam jaringan. Penyaluran ulang yang mulus ini dimungkinkan oleh sifat terhubung dari konfigurasi mesh atau ring. Namun, perlu dicatat bahwa tautan alternatif ini harus dirancang dengan cermat untuk menangani peningkatan transmisi daya sambil meminimalkan kerugian daya.

Absennya gangguan pasokan daya dalam sistem MTDC mesh adalah keuntungan yang signifikan. Ini memastikan pasokan daya yang berkelanjutan dan stabil, bahkan menghadapi kegagalan tautan yang tak terduga. Oleh karena itu, sistem MTDC mesh yang terhubung paralel menawarkan keandalan yang lebih unggul dibandingkan dengan rekan radialnya. Kerentanan sistem radial terhadap pemadaman daya akibat gangguan tautan tunggal pucat dibandingkan dengan kemampuan kuat sistem mesh untuk mempertahankan aliran daya dalam kondisi serupa, menjadikan sistem MTDC mesh atau ring pilihan yang disukai untuk aplikasi di mana penyampaian daya yang tidak terputus sangat penting.