Konfigurasi Sistem Arus Sejuk Tegangan Tinggi (HVDC)

Arus Sejuk Tegangan Tinggi, biasanya disingkat sebagai HVDC, adalah kaedah yang sangat efisien untuk penghantaran kuasa jarak jauh, mengurangkan kehilangan kuasa secara signifikan berbanding dengan penghantaran arus bergelombang (AC) tradisional. Sistem HVDC boleh dilaksanakan dalam pelbagai konfigurasi, setiap satu disesuaikan dengan keperluan operasi tertentu. Artikel ini memberikan gambaran ringkas tentang jenis utama konfigurasi sistem HVDC.

Sistem HVDC Back-to-Back

Dalam konfigurasi HVDC back-to-back (B2B), kedua-dua rektifier dan inverter, yang merupakan komponen utama pemindah, ditempatkan dalam stesen terminal yang sama. Dua elemen pemindah ini terhubung langsung back-to-back antara satu sama lain. Fungsi utama konfigurasi ini adalah untuk menghubungkan dua sistem kuasa AC yang berbeza. Ia mencapai ini dengan mula-mula menukar kuasa AC masuk menjadi DC melalui rektifier dan kemudian segera mentransformasikan kuasa DC kembali menjadi AC menggunakan inverter.

Sistem HVDC Back-to-Back (Terus)

Set up HVDC back-to-back dipasang dalam sebuah bilik tunggal dan bertujuan untuk menghubungkan dua sistem kuasa AC asinkron. Mengingat hubungan langsung back-to-back antara rektifier dan inverter, tiada keperluan untuk laluan penghantaran DC. Untuk mengurangkan jumlah taisit yang disambungkan secara siri, voltan DC antara sengaja dikekalkan pada tahap yang rendah. Sementara itu, rating arus konfigurasi ini boleh mencapai beberapa ribu amper.

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

• Apabila dua sistem AC atau grid kuasa beroperasi pada frekuensi yang berbeza.

• Apabila kedua-dua sistem mempunyai frekuensi yang sama tetapi menunjukkan perbezaan fasa.

Sistem HVDC Dua Terminal

Dalam konfigurasi HVDC dua terminal, terdapat dua stesen terminal yang berbeza, setiap satu berfungsi sebagai stesen pemindah. Satu stesen memuat rektifier, manakala yang lain mengandungi inverter. Kedua-dua terminal ini dihubungkan oleh laluan penghantaran HVDC, membolehkan penghantaran kuasa elektrik secara efisien melalui jarak yang jauh. Set up ini direka untuk mengatasi had-had penghantaran AC tradisional untuk penghantaran kuasa jarak jauh, memanfaatkan kelebihan kuasa DC untuk mengurangkan kehilangan kuasa dan meningkatkan kecekapan penghantaran merentasi kawasan geografi yang luas.

Sistem HVDC dua terminal mempunyai sambungan langsung antara dua titik tanpa sebarang laluan penghantaran selari atau tap pertengahan sepanjang laluan penghantaran. Ciri ini memberi nama alternatifnya, penghantaran kuasa titik-ke-titik. Ia sangat sesuai untuk aplikasi bekalan kuasa antara dua lokasi yang berjauhan secara geografi.

Salah satu kelebihan ketara sistem HVDC dua terminal adalah ia tidak memerlukan pemutus litar HVDC. Semasa penyelenggaraan atau ketika membersihkan kesalahan, pemutus litar AC di sisi AC boleh digunakan untuk mendekilaskan laluan DC. Berbanding dengan pemutus litar DC, pemutus litar AC mempunyai reka bentuk yang lebih mudah dan datang dengan kos yang lebih rendah, menjadikan sistem HVDC dua terminal lebih ekonomi dan lebih mudah untuk diselenggarakan.

Sistem Arus Sejuk Multi-Terminal (MTDC)

Sistem Arus Sejuk Multi-Terminal (MTDC) mewakili konfigurasi HVDC yang lebih kompleks. Ia menggunakan beberapa laluan penghantaran untuk membina sambungan antara lebih daripada dua titik. Set up ini terdiri daripada beberapa stesen terminal, setiap satu dilengkapi dengan pemindah sendiri, semuanya dihubungkan oleh rangkaian laluan penghantaran HVDC. Dalam rangkaian ini, beberapa pemindah berfungsi sebagai rektifier, menukar kuasa AC menjadi DC, manakala yang lain beroperasi sebagai inverter, mentransformasikan kuasa DC kembali menjadi AC untuk diedarkan kepada beban. Prinsip asas sistem MTDC adalah bahawa jumlah kuasa yang dibekalkan oleh stesen rektifier mestilah sama dengan jumlah kuasa yang diterima oleh stesen inverter (beban), memastikan aliran kuasa yang seimbang dan cekap merentasi rangkaian yang saling berhubungan.

Sistem Arus Sejuk Multi-Terminal (MTDC) (Terus)

Rangkaian MTDC serupa dengan grid AC dari segi fleksibilitinya, tetapi ia menawarkan kelebihan unik: kemampuan untuk mengawal aliran kuasa dengan tepat dalam rangkaian DC yang tersebar. Walau bagaimanapun, fungsi yang ditingkatkan ini datang dengan harga yang lebih tinggi, menjadikan sistem MTDC jauh lebih rumit daripada konfigurasi HVDC dua terminal.

Dalam set up MTDC, bergantung pada pemutus litar AC di sisi AC tidak dapat dilakukan. Berbeza dengan sistem dua terminal, penggunaan pemutus litar AC akan mendekilaskan seluruh rangkaian DC bukannya hanya mengasingkan laluan yang rosak atau memerlukan penyelenggaraan. Untuk mengatasi ini, sistem MTDC memerlukan beberapa komponen peralatan switchgear DC, seperti pemutus litar. Pemutus litar DC khusus ini direka untuk melepaskan litar dengan selamat atau mengasingkan bahagian tertentu semasa operasi penyelenggaraan atau ketika membersihkan kesalahan, memastikan kestabilan dan kebolehpercayaan rangkaian.

Pemeliharaan keseimbangan sistem adalah penting dalam sistem MTDC. Jumlah arus yang dibekalkan oleh stesen rektifier mesti tepat bersamaan dengan arus yang dikonsumsi oleh stesen inverter. Apabila terdapat lonjakan permintaan kuasa tiba-tiba dari mana-mana stesen inverter, output kuasa DC perlu dinaikkan secara beransur-ansur untuk memenuhi beban yang meningkat. Semasa proses ini, adalah penting untuk mengawasi dan mengawal dengan teliti voltan yang dibekalkan serta operasi inverter untuk mencegah overloading, yang boleh menyebabkan kegagalan sistem.

Salah satu kekuatan utama sistem MTDC adalah kebolehpercayaannya semasa gangguan paksa. Dalam kejadian kegagalan kuasa yang tidak dijangka di salah satu stesen penjanaan, sistem boleh segera mengalihkan kuasa melalui stesen pemindah alternatif, mengurangkan gangguan kepada bekalan kuasa secara keseluruhan.

Aplikasi MTDC

• Integrasi Tenaga Boleh Diperbaharui: Memudahkan sambungan beberapa peternakan tenaga berasaskan DC ke pelbagai grid kuasa, membolehkan pengedaran tenaga bersih secara cekap.

• Tenaga Angin Laut: Membuatkan sambungan beberapa peternakan angin laut ke grid kuasa di darat, mengatasi cabaran berkaitan dengan penghantaran jumlah kuasa yang besar melalui jarak jauh dari lokasi laut yang jauh.

• Penghantaran Kuasa Besar-besaran: Membuatkan penghantaran kuasa berskala besar dari beberapa stesen penjanaan AC jauh ke beberapa pusat beban, mengoptimumkan pengedaran kuasa merentasi kawasan yang luas.

• Interkoneksi Grid: Membolehkan interkoneksi antara dua sistem kuasa AC asinkron, meningkatkan kestabilan grid dan keupayaan pertukaran kuasa.

• Pengalihan Bekalan Kuasa: Membolehkan pengalihan bekalan kuasa dalam kejadian kegagalan kuasa di stesen penjanaan individu, memastikan penghantaran kuasa berterusan kepada pengguna.

• Sokongan Rangkaian AC: Boleh menyediakan kuasa tambahan kepada rangkaian AC yang berat dengan menggunakan satu rektifier dan beberapa inverter untuk menyuntik kuasa ke dalam grid AC, mengurangkan kepadatan dan meningkatkan prestasi grid secara keseluruhan.

• Pencetakan Kuasa Fleksibel: Menawarkan fleksibiliti untuk mencetak kuasa pada beberapa titik dalam rangkaian, menyesuaikan diri dengan permintaan kuasa dan keperluan pengedaran yang berbeza.

Sistem MTDC boleh dikategorikan kepada dua jenis utama:

Sistem MTDC Siri

Dalam konfigurasi MTDC siri, beberapa stesen pemindah disambung dalam siri, seperti komponen dalam litar siri elektrik. Ciri penting set up ini ialah arus yang mengalir melalui setiap stesen pemindah kekal identik, kerana ia ditetapkan oleh salah satu stesen. Walau bagaimanapun, penurunan voltan dialokasikan antara stesen pemindah, dengan setiap stesen mengalami sebahagian daripada penurunan voltan total dalam rangkaian yang tersambung secara siri.

Sistem MTDC Siri (Terus)

Sistem MTDC siri boleh dianggap sebagai versi yang diperluas daripada sistem HVDC dua terminal, dengan menyertakan beberapa stesen pemindah yang disambung dalam siri, seperti yang ditunjukkan dalam gambaran yang disertakan. Biasanya, stesen pemindah dalam set up MTDC siri mempunyai kapasiti yang lebih rendah berbanding yang digunakan dalam sistem MTDC selari.

Sistem ini biasanya menggunakan laluan DC monopolar, di mana laluan DC di-ground pada hanya satu titik tertentu. Untuk melindungi terhadap lonjakan elektrik sementara, kapasitor grounding boleh dipasang pada titik lain sepanjang laluan sebagai langkah perlindungan tambahan.

Koordinasi isolasi dalam sistem MTDC siri membawa cabaran yang signifikan disebabkan voltan DC yang berbeza di setiap stesen. Mekanisme kawalan aliran kuasa dalam sistem MTDC siri lebih rumit berbanding dengan sistem MTDC selari. Dalam sistem MTDC selari, aliran kuasa boleh dikawal dengan menyuntik arus ke dalam laluan tertentu, manakala dalam sistem MTDC siri, kawalan aliran kuasa bergantung pada penyesuaian voltan di setiap stesen terminal.

Reversal aliran kuasa dalam sistem MTDC siri boleh dicapai dengan mudah menggunakan kedua-dua Voltage Source Converters (VSC) dan Current Source Converters (CSC). Walau bagaimanapun, apabila terjadi kesalahan atau penyelenggaraan yang dirancang untuk laluan tertentu, seluruh rangkaian DC akan mengalami pemadam. Seperti sistem HVDC dua terminal, pemutus litar AC digunakan untuk mendekilaskan rangkaian DC. Penambahan sistem MTDC siri juga membawa kesukaran. Pemasangan stesen terminal baru memerlukan pemadam lengkap bagi rangkaian, kerana rangkaian DC berbentuk cincin mesti dipotong di titik pemasangan, mengganggu bekalan kuasa ke semua stesen lain sepanjang laluan.

Sistem MTDC Selari

Dalam sistem MTDC selari, beberapa stesen pemindah yang berfungsi sebagai inverter atau stesen beban disambung ke satu stesen pemindah yang berfungsi sebagai rektifier. Stesen rektifier ini menyediakan kuasa kepada seluruh rangkaian DC. Serupa dengan litar selari elektrik, voltan kekal malar di semua stesen inverter atau beban, dengan nilai voltan ditetapkan oleh salah satu stesen pemindah. Sebaliknya, bekalan arus berubah mengikut permintaan kuasa di setiap stesen. Untuk mengekalkan bekalan arus yang seimbang, arus disesuaikan secara dinamik berdasarkan keperluan kuasa setiap stesen beban. Secara umumnya, stesen terminal dalam sistem MTDC selari mempunyai kapasiti yang lebih tinggi berbanding dengan rangkaian MTDC siri.

Sistem MTDC Selari (Terus)

Reversal kuasa dalam sistem MTDC selari boleh dicapai melalui kaedah pembalikan voltan atau pembalikan arus. Apabila menggunakan pembalikan voltan, yang biasanya dikaitkan dengan stesen terminal berasaskan Current Source Converter (CSC), ia mempengaruhi semua stesen pemindah. Oleh itu, sistem kawalan dan komunikasi yang sangat canggih perlu dilaksanakan antara pemindah-pemindah ini untuk menguruskan kesan ini. Di sisi lain, jika reversal kuasa dicapai menggunakan teknik pembalikan arus, yang sering dikaitkan dengan stesen terminal berasaskan Voltage Source Converter (VSC), proses tersebut jauh lebih mudah untuk dilaksanakan. Ini adalah sebab utama mengapa VSC lebih difavoritkan daripada CSC dalam sistem MTDC selari.

Dalam sistem MTDC berasaskan VSC, kerana voltan kekal malar, penilaian kuasa stesen terminal ditentukan oleh rating arus pemindah klep. Konfigurasi ini menawarkan kelebihan yang signifikan dari segi kawalan aliran kuasa dalam rangkaian DC. Ia boleh mengatur aliran kuasa dengan tepat dengan menyuntik arus ke dalam laluan tertentu, yang merupakan pendekatan yang lebih mudah berbanding dengan mekanisme kawalan kuasa dalam sistem siri yang bergantung pada kawalan voltan di setiap stesen.

Salah satu ciri paling ketara sistem MTDC selari adalah ketahanannya terhadap kesalahan. Jika terjadi kesalahan pada mana-mana stesen terminal, selebihnya rangkaian DC kekal tidak terjejas. Walau bagaimanapun, untuk mengasingkan laluan DC tertentu yang berkaitan dengan stesen yang rosak, pemutus litar DC yang berasingan diperlukan. Selain itu, semasa penambahan rangkaian DC, tiada keperluan untuk mengganggu bekalan kuasa. Ini kerana stesen terminal baru boleh dipasang secara selari dengan laluan yang sedia ada, memastikan integrasi yang lancar tanpa mengganggu pengedaran kuasa yang sedang berjalan.

Kelebihan lain sistem MTDC selari adalah koordinasi isolasi yang relatif mudah berbanding sistem siri. Kerana voltan malar merentasi rangkaian, keperluan isolasi lebih mudah untuk diuruskan.

Sistem MTDC selari boleh diklasifikasikan kepada dua kategori:

Sistem MTDC Radial

Sistem MTDC radial adalah jenis spesifik konfigurasi MTDC selari. Dalam set up ini, jika terdapat putus laluan penghantaran atau penghapusan satu sambungan, ia akan menyebabkan gangguan bekalan kuasa ke satu atau lebih stesen pemindah. Ciri ini membuat sistem MTDC radial agak rentan terhadap skenario kegagalan titik tunggal, kerana sebarang gangguan pada laluan penghantaran boleh mempunyai impak langsung terhadap bekalan kuasa ke sebahagian rangkaian.

Gambaran yang disediakan menunjukkan konfigurasi di mana empat stesen inverter disambung ke satu stesen rektifier. Dalam set up ini, jelas bahawa jika terdapat putus pada mana-mana laluan, ia akan tidak dapat dielakkan menyebabkan gangguan bekalan kuasa ke sekurang-kurangnya satu stesen terminal. Kelemahan ini membuat sistem MTDC radial kurang boleh dipercayai berbanding sistem MTDC Mesh atau Ring.

Sistem MTDC Mesh (Ring)

Dalam sistem MTDC Mesh atau Ring, stesen inverter (beban) disambung dengan satu stesen rektifier dalam formasi mesh atau ring. Salah satu kelebihan utama konfigurasi ini ialah walaupun terdapat putus pada laluan penghantaran tunggal atau penghapusan satu sambungan, ia tidak menyebabkan gangguan bekalan kuasa ke mana-mana stesen inverter. Gambaran berikut jelas menunjukkan sistem MTDC Mesh atau Ring. Ketahanan intrinsik terhadap kegagalan laluan ini menjadikan sistem MTDC Mesh atau Ring pilihan yang lebih boleh dipercayai untuk penghantaran dan pengedaran kuasa dalam aplikasi tertentu, kerana ia boleh menangani gangguan dengan lebih baik dan memastikan bekalan kuasa berterusan ke stesen beban yang disambung.

Seperti yang ditunjukkan, dalam sistem MTDC jenis mesh atau ring, penghapusan mana-mana sambungan tunggal tidak mengganggu bekalan kuasa ke mana-mana stesen pemindah. Sebaliknya, kuasa elektrik secara automatik dialihkan melalui sambungan alternatif dalam rangkaian. Pengalihan ini dibuat mungkin oleh sifat rangkaian yang saling berhubungan. Walau bagaimanapun, adalah penting untuk mencatat bahawa sambungan alternatif ini mesti direka dengan teliti untuk menangani penghantaran kuasa yang meningkat sambil mengurangkan kehilangan kuasa.

Absennya gangguan bekalan kuasa dalam sistem MTDC jenis mesh adalah kelebihan yang signifikan. Ia memastikan bekalan kuasa yang berterusan dan stabil, walaupun dalam menghadapi kegagalan sambungan yang tidak dijangka. Oleh itu, sistem MTDC jenis mesh yang tersambung secara selari menawarkan kebolehpercayaan yang lebih tinggi berbanding dengan rakan selari jenis radial. Kepekaan sistem radial terhadap gangguan bekalan kuasa akibat kegagalan sambungan tunggal tidak sebanding dengan kebolehpercayaan sistem mesh atau ring dalam mengekalkan aliran kuasa dalam keadaan yang serupa, menjadikan sistem MTDC jenis mesh atau ring pilihan yang difavoritkan untuk aplikasi di mana penghantaran kuasa yang tidak terputus adalah amat penting.