Apa Keuntungan HVDC Dibandingkan HVAC dalam Transmisi Tenaga Listrik

Apa Keuntungan HVDC dibandingkan HVAC?

Listrik menempuh jarak yang jauh sebelum mencapai konsumen. Pembangkit listrik, seringkali terletak di daerah terpencil, menyuplai listrik melalui ratusan mil dan beberapa substasiun. Transmisi tegangan tinggi mengurangi kerugian pada jalur, dengan penggunaan baik AC maupun DC. Meskipun AC familiar melalui tiang utilitas dan stop kontak rumah, HVDC menawarkan keunggulan unik dalam transmisi daya.

Tujuan transmisi daya adalah untuk meminimalkan kerugian dan biaya. Meskipun keduanya menghadapi faktor-faktor yang mempengaruhi, HVDC memiliki lebih banyak keunggulan. Artikel ini menjelajahi keuntungan HVDC dibandingkan HVAC:

Biaya Transmisi Lebih Rendah
Biaya transmisi tergantung pada peralatan konversi tegangan terminal, jumlah/ukuran konduktor, dimensi menara, dan kerugian. HVAC menggunakan transformator untuk konversi—lebih sederhana dan murah daripada konverter berbasis tiristor HVDC, satu-satunya keunggulan biaya HVAC.

HVAC membutuhkan setidaknya 3 konduktor untuk transmisi 3-fasa. HVDC, menggunakan bumi sebagai jalur kembali, menggunakan 1 konduktor (monopolar) atau 2 (bipolar), mengurangi biaya. Bahkan konduktor 3-fasa dapat membawa daya dua kali lipat melalui tautan bipoliar ganda HVDC.

HVAC memerlukan jarak yang lebih besar antara fase-ke-tanah dan fase-ke-fase, membutuhkan menara yang lebih tinggi dan lebar. Menara HVDC mengurangi biaya pemasangan. HVDC juga memiliki kerugian transmisi yang jauh lebih rendah, membuatnya lebih efisien.

Biaya transmisi total dapat dibagi menjadi dua kategori utama: biaya stasiun terminal dan biaya jalur transmisi. Yang pertama merupakan biaya tetap, independen dari jarak transmisi, sementara yang kedua bervariasi dengan panjang jalur. Biaya terminal AC relatif rendah, sementara biaya terminal HVDC jauh lebih tinggi. Namun, biaya per 100 km untuk jalur transmisi HVAC jauh lebih besar daripada jalur HVDC. Dengan demikian, kurva biaya total untuk HVAC dan HVDC berpotongan pada titik yang dikenal sebagai jarak impas.

Jarak impas adalah panjang transmisi di mana investasi total HVAC melebihi HVDC. Jarak ini bervariasi tergantung jenis transmisi: sekitar 400–500 mil (600–800 km) untuk jalur udara, 20–50 km untuk jalur bawah air, dan 50–100 km untuk jalur bawah tanah. Di luar ambang batas ini, HVDC menjadi pilihan yang lebih efisien dan ekonomis untuk transmisi daya.

Transmisi HVDC mengalami kerugian yang jauh lebih rendah dibandingkan HVAC, dengan peningkatan kunci dalam area berikut:

Tidak Ada Kerugian Daya Reaktif

Transmisi HVAC menderita kerugian daya reaktif, yang secara langsung proporsional dengan panjang jalur, frekuensi, dan beban induktif di ujung penerima. Kerugian ini mengurangi transfer daya efektif dan membuang energi, membatasi panjang maksimum jalur HVAC yang efisien. Untuk mengurangi hal ini, sistem HVAC bergantung pada kompensasi seri dan paralel untuk mengurangi VAR (volt-ampere reaktif) dan mempertahankan stabilitas.

Sebaliknya, HVDC beroperasi tanpa frekuensi atau arus pengisian, menghilangkan kerugian daya reaktif sepenuhnya. Ini menghilangkan kebutuhan untuk langkah-langkah kompensasi tersebut.

Kerugian Korona Berkurang

Ketika tegangan transmisi melebihi ambang batas kritis (tegangan inisiasi korona), molekul udara di sekitar konduktor terionisasi, menciptakan percikan (discharge korona) yang membuang energi. Kerugian korona tergantung pada tingkat tegangan dan frekuensi. Karena DC memiliki frekuensi nol, kerugian korona HVDC sekitar sepertiga dari sistem HVAC.

Tidak Ada Efek Kulit

Arus AC menunjukkan efek kulit, di mana arus berkonsentrasi dekat permukaan konduktor, meninggalkan inti tidak digunakan. Distribusi arus yang tidak merata ini mengurangi luas penampang efektif konduktor, meningkatkan resistansi (sebagai resistansi berbanding terbalik dengan luas) dan menghasilkan kerugian I²R yang lebih tinggi pada jalur HVAC. HVDC, dengan arus DC stabilnya, menghindari efek ini, memastikan distribusi arus yang merata di seluruh konduktor dan meminimalkan kerugian resistif.

Tidak Ada Kerugian Radiasi atau Induksi

Jalur transmisi HVAC menderita kerugian radiasi dan induksi karena medan magnetiknya yang selalu berubah. Kerugian radiasi terjadi karena jalur AC panjang bertindak seperti antena, memancarkan energi yang tidak dapat dipulihkan. Kerugian induksi muncul dari arus yang diinduksi di konduktor terdekat oleh medan yang berubah.Dalam sistem HVDC, medan magnetik tetap, menghilangkan kerugian radiasi dan induksi sepenuhnya.

Kerugian Arus Pengisian Berkurang

Kabel bawah tanah dan bawah air memiliki kapasitansi parasit inheren, yang memerlukan pengisian sebelum mereka dapat mentransmisikan daya. Kapasitansi meningkat dengan panjang kabel, dan demikian arus pengisian meningkat proporsional.

Dalam sistem AC, kabel mengisi dan mengosongkan beberapa kali per detik, menarik arus tambahan dari sumber untuk mempertahankan siklus ini. Arus tambahan ini meningkatkan kerugian I²R di kabel.Namun, kabel HVDC hanya memerlukan pengisian sekali selama energisasi awal atau perubahan. Ini menghilangkan kerugian yang terkait dengan arus pengisian yang berkelanjutan.

Tidak Ada Kerugian Pemanasan Dielektrik

Medan listrik bolak-balik dalam sistem AC mempengaruhi material isolasi di jalur transmisi, menyebabkan mereka menyerap energi dan mengubahnya menjadi panas—fenomena yang dikenal sebagai kerugian dielektrik. Ini tidak hanya membuang energi tetapi juga memperpendek umur isolasi.Sistem HVDC menghasilkan medan listrik konstan, menghindari kerugian dielektrik dan masalah pemanasan isolasi yang terkait.

3) Konduktor yang Lebih Tipis

Efek kulit dalam AC menyebabkan arus berkonsentrasi dekat permukaan konduktor, memerlukan konduktor yang lebih tebal untuk meningkatkan luas permukaan dan menampung arus yang lebih tinggi.HVDC, bebas dari efek kulit, memungkinkan arus tersebar merata di seluruh penampang konduktor. Ini memungkinkan penggunaan konduktor yang lebih tipis sambil mempertahankan kapasitas penghantar arus yang sama, mengurangi biaya material dan berat.

4) Batasan Panjang Jalur

Jalur HVAC menderita kerugian daya reaktif yang meningkat secara langsung dengan panjang jalur. Ini memberikan batasan kritis pada jarak transmisi HVAC: di luar sekitar 500 km untuk jalur udara, kerugian daya reaktif menjadi sangat tinggi, mengganggu stabilitas sistem.Transmisi HVDC, sebaliknya, tidak memiliki batasan panjang semacam itu, menjadikannya cocok untuk pengiriman daya jarak ultra-jauh.

5) Persyaratan Peringkat Kabel yang Dikurangi

Kabel dirating untuk tegangan dan arus maksimum yang dapat ditoleransi. Dalam sistem AC, tegangan dan arus puncak sekitar 1,4 kali lebih tinggi dari nilai rata-rata mereka (yang sesuai dengan daya aktual yang disampaikan). Namun, konduktor harus dirating untuk nilai puncak ini.Dalam sistem DC, nilai puncak dan rata-rata identik. Ini berarti HVDC dapat mentransmisikan daya yang sama menggunakan kabel dengan rating tegangan dan arus yang lebih rendah dibandingkan HVAC. Faktanya, sistem HVAC secara efektif membuang sekitar 30% kapasitas konduktor karena persyaratan puncak yang lebih tinggi.

6) Lahan Hak Jalan yang Lebih Sempit

"Hak jalan" merujuk pada koridor lahan yang diperlukan untuk infrastruktur transmisi. Sistem HVDC memerlukan hak jalan yang lebih sempit karena menggunakan menara yang lebih kecil dan lebih sedikit konduktor.Sebaliknya, HVAC memerlukan menara yang lebih tinggi untuk mendukung lebih banyak konduktor dan insulator yang lebih besar (dirating untuk tegangan puncak AC), yang membutuhkan dukungan struktural yang lebih kuat. Jejak yang lebih luas ini meningkatkan biaya material, konstruksi, dan lahan—membuat HVDC lebih unggul dalam hal efisiensi hak jalan.

7) Transmisi Berbasis Kabel yang Lebih Unggul

Kabel bawah tanah dan bawah laut terdiri dari beberapa konduktor yang dipisahkan oleh isolasi, menciptakan kapasitansi parasit antara mereka. Kabel-kabel ini tidak dapat mentransmisikan daya sampai sepenuhnya terisi, dan kapasitansi (dan demikian arus pengisian) meningkat dengan panjang.Sistem AC mengisi dan mengosongkan kabel berulang-ulang (50–60 kali per detik), memperbesar kerugian I²R dan membatasi panjang kabel. Namun, kabel HVDC hanya mengisi sekali (selama energisasi awal atau perubahan), menghilangkan kerugian semacam itu dan batasan panjang.Ini menjadikan HVDC pilihan yang lebih disukai untuk transmisi kabel offshore, bawah air, dan bawah tanah.

8) Transmisi Bipolar

HVDC mendukung mode transmisi yang beragam, dengan transmisi bipolar menjadi pilihan yang luas digunakan dan hemat biaya. Ini menampilkan dua konduktor paralel dengan polaritas yang berlawanan, tegangan mereka seimbang relatif terhadap bumi.Jika salah satu jalur gagal atau putus, sistem secara mulus beralih ke mode monopolar: jalur yang tersisa terus menyediakan arus, menggunakan bumi sebagai jalur kembali.

9) Aliran Daya yang Dapat Dikontrol

Konverter HVDC, berbasis elektronik padat, memungkinkan kontrol presisi atas aliran daya dalam jaringan AC. Kemampuan switching cepat mereka (beroperasi beberapa kali per siklus) meningkatkan kinerja harmonik, meredam ayunan daya, dan mengoptimalkan kapasitas penyediaan daya jaringan.

10) Penyelesaian Cepat Gangguan

Arus gangguan—arus abnormal dari gangguan listrik—menyajikan risiko signifikan. Dalam sistem HVAC, arus gangguan tinggi dapat merusak jalur transmisi, stasiun, generator, dan beban.HVDC meminimalkan risiko tersebut: arus gangguan lebih rendah, membatasi kerusakan pada bagian-bagian tertentu, dan operasi switching cepatnya memastikan respons gangguan yang cepat, meningkatkan ketahanan sistem.

11) Interkoneksi Jaringan Asinkron

HVDC memungkinkan interkoneksi jaringan AC asinkron dengan parameter yang berbeda (misalnya, frekuensi, fase).Wilayah sering menggunakan frekuensi yang berbeda (misalnya, 50 Hz di Eropa vs. 60 Hz di AS), dan jaringan mungkin memiliki perbedaan fase, sehingga interkoneksi AC langsung tidak mungkin. HVDC, beroperasi tanpa batasan frekuensi atau fase, dengan mudah menghubungkan sistem-sistem independen ini.

12) Mendorong Jaringan Cerdas

Jaringan cerdas mengintegrasikan pembangkit skala kecil (surya, angin, nuklir) ke dalam jaringan yang terunifikasi dengan kontrol aliran daya yang cerdas.Hal ini dapat dilakukan dengan HVDC, yang mendukung interkoneksi asinkron unit pembangkit dan memberikan kontrol penuh atas distribusi daya, sesuai dengan persyaratan jaringan cerdas.

13) Reduksi Gangguan Suara

HVDC menyebabkan gangguan suara yang jauh lebih sedikit ke jalur komunikasi terdekat dibandingkan HVAC.HVAC menghasilkan dengungan yang terdengar, gangguan radio, dan TV, dengan intensitas yang terkait dengan frekuensinya. HVDC, dengan frekuensi nol, menghasilkan gangguan minimal. Selain itu, gangguan HVAC meningkat dalam cuaca buruk, sementara gangguan HVDC berkurang, memastikan operasi yang lebih stabil.