1

HVDC: Transmisi Daya Arus Searah, Sebuah Tinjauan Rekayasa Matematis Konverter

Stefanus Windarhariadi S.T.

Alumnus Universitas Diponegoro – Semarang, Indonesia

Pada pertengahan tahun 1880, Thomas Alfa Edison telah memulai transmisi daya listrik

menggunakan sistem arus searah berbasis generator dc, namun seorang seorang imigran sekaligus

ilmuwan Kroasia, Nikola Tesla berhasil mengalahkan metode transmisi dc dengan transmisi ac.

Kekalahan Thomas Alfa Edison disebabkan transmisi ac memiliki kondisi gelombang turun ke titik nol

yang dapat menjadi acuan circuit breaker mengatasi tegangan sambaran petir atau tegangan sentak

akibat proses penyakelaran sehingga dapat menggunakan sistem proteksi dan pentanahan yang

lebih murah.

Namun penelitian di kemudian hari masalah proteksi bisa diatasi dengan pemasangan kabel saluran

daya di bawah tanah atau di bawah permukaan dasar laut, walaupun memang biaya pemasangan

masih terbilang mahal. Keuntungan utama dari saluran HVDC adalah rugi-rugi dasar/stray losses

yang mendekati nol pada salurannya karena komponen frekuensi utamanya bernilai nol sehingga

secara ideal memiliki cos θ = 1 dengan daya reaktif = 0; hal ini memungkinkan luas penampang

saluran dc memiliki luas penampang yang lebih kecil daripada luas penampang saluran ac sebab efek

kulit/skin efek penyebab rugi-rugi korona tereliminasi.

Pembentukan komponen tegangan dc.

Proses komutasi penyearah.

Gambar 1.

Satu unit sistem HVDC selalu memiliki dua konverter yaitu sisi penyearah/rectifier dan sisi

inverter. Mari kita tinjau Gambar 1, ketika katup V1 dan katup V2 menutup maka tegangan UA dan

UB dari penyearah melewati saluran HVDC sehingga Ud = UA- UB . Tegangan UB yang melalui

2

katup V2 adalah bersifat positif dilihat dari sisi anode (sehingga dari sisi Katode tampak negatif)

pada penyearah HVDC, setelah katup V1 dan V2 melewati 1500+ α maka katup V3 berkomutasi

(memindah posisi penutupan katup) terhadap V1 dan menjadikan V3 dilewati tegangan Uc

sehingga Ud = UA- UB +Uc ; demikianlah proses satu kali komutasi menjadi lengkap, dan menuju

proses komutasi berikutnya hingga keseluruhan proses komutasi memenuhi satu periode 2π

atau 3600 listrik.

A. Pembentukan komponen tegangan dan arus dc.

Besar tegangan dc yang terjadi pada satu penyearah sangat tergantung pada sudut

tenggang/delay angle α dan sudut komutasi .

A.1. Sudut tenggang/delay angle.

Sudut tenggang disebut pula sudut kendali/control angle atau pada inverter disebut sebagai

sudut-mula/ignition angle jika diterapkan pada inverter. Sudut ini berguna untuk memberikan

waktu tenggang penyalaan/firing natural bagi katup/thyristor/IGBT berikutnya. Pengendalian

transisi sudut tenggang dilakukan oleh pusat kendali.

A.2. Sudut komutasi/commutation angle.

Rentang komutasi antara dua katup/thyristor/IGBT pada satu sisi yang sama (sisi katode atau

anode) dari jembatan penyearah adalah sudut yang terbentuk ketika satu tegangan

katup/thyristor/IGBT berpindah secara tumpang tindih/berkomutasi menuju tegangan

katup/thyristor/IGBT berikutnya. Pada periode ini tegangan dari katup/thyristor/IGBT di salah

satu elektrode (yaitu Katode atau anode) mengikuti nilai tegangan menengah dari tegangan dua

katup/thyristor/IGBT yang berkonduksi (pada satu sisi elektrode yang sama) seperti ditunjukkan

oleh Gambar 2. Semakin besar daya aktif yang terlibat didalam sistem HVDC, maka semakin

besar pula rentang komutasi.

Gambar 2

Pembentukan tegangan komponen dc dapat dirumuskan seperti di bawah ini menurut grafik

Gambar 2 :

3

........................................[A.1]

B. Rangkaian ekuivalen penyearah.

Jika arus yang melalui dua katup/thyristor/IGBT yang saling berkomutasi ic berawal dari 0 dan

berakhir pada ic = Id maka akan diperoleh proses seperti pada Gambar 3

Gambar 3

Dari Gambar 3 kita peroleh ic=i5=-i3 dan tegangan yang terlibat pada proses komutasi adalah

tegangan yang melalui valve V3 dan valve V5 yaitu:

pada V5 dan

pada valve V3

sehingga loop pada Gambar 3 menghasilkan:

4

...............................................................................................................[B.1]

Gambar 4

Kemudian persamaan [B.1] diuraikan menjadi:

5

karena Ic = Id maka

dan jika dikalikan dengan

maka akan

diperoleh:

....................................................... [B.2]

Jika persamaan [B.2] disubstitusikan dengan persamaan [A.1] maka akan diperoleh:

karena

merupakan besaran tegangan dc dengan α=0 dan =0

Atau jika dituliskan dalam bentuk reaktansi komutasi menjadi:

................................................................................[B.3]

dengan rangkaian ekuivalen dc seperti pada Gambar 5

6

Gambar 5

Jika beban belum terpasang maka sudut komutasi atau sudut tumpang tindih =0 maka

persamaan [B.3] menjadi:

................................................................................[B.4]

Reaktansi komutasi merupakan penjumlahan dari reaktansi ac sistem pengumpan/beban dan

reaktansi bocor dari transformator konverter seperti contoh susunan paralel Gambar 6 berikut

ini:

Gambar 6

Xss merupakan reaktansi dari sistem ac (berupa pengumpan dari sisi penyearah atau

beban ac dari sisi inverter) sedangkan Xt1 hingga Xtj merupakan reaktansi bocor dari

transformator konverter ke 1 hingga transformator konverter ke j dengan besar masing-

masing reaktansi adalah identik; karena susunan konverter adalah paralel maka

reaktansi komutasi dari sistem penyearah menjadi:

7

................................................................................................[B.5]

Reaktansi komutasi berperan sebagai resistansi fiktif yang tidak menyerap energi,

namun demikian rangkaian ekuivalen dc sangat penting untuk studi aliran beban dc dan

studi aliran beban kombinasi ac ke dc dan sebaliknya.

Inversi

Gambar 7

Gambar 7 menunjukkan pembentukan arah arus ac fase R pada inverter, grafik dapat ditelusuri dan

dianalisis melalui Gambar 8; dari Gambar 8 tampak bahwa sudut α, baik α1 maupun α3 bukan lagi

sebagai sudut tenggang melainkan sebagai sudut mula/ignition angle atau sudut penyalaan/firing

angle.

Pengaturan α1 maupun α3 menggunakan topologi komutasi paksa yang mengatur urutan waktu

buka-tutup antar katup/valve yang terlibat pada proses inversi. Bahasan tentang komutasi paksa

akan dibahas pada artikel tersendiri

8

Gambar 8

9

Studi Aliran Beban DC.

Gambar 9

Studi aliran beban pada sistem HVDC melibatkan pula sistem ac sebagai pengumpannya/feeder dan

kemungkinan sisi beban ac pada inverter. Studi aliran beban dibatasi dengan asumsi-asumsi berikut

ini supaya nilai yang dihasilkan menjadi konvergen dan tidak mengayun sepanjang iterasi:

1. Daya dari sisi ac (tegangan dan arus) adalah sinusoid murni

2. Efek harmonisa dari sisi dc maupun ac diabaikan

3. Reaktansi bocor dari transformer beserta reaktansi saluran pada sisi ac tersedia

4. Filter ac maupun dc tidak disertakan ke dalam rangkaian ekuivalen sebagai efek dari

diabaikannya harmonisa.

Berikut ini adalah parameter-parameter yang digunakan:

a. Sisi penyearah:

Jika rugi-rugi dapat diabaikan maka Pr = Pac sehingga daya reaktif pada penyearah menjadi

b. Sisi inverter (dengan asumsi yang sama dengan pembentukan parameter penyearah):

10

Gambar 10

Gambar 10 merupakan rangkaian ekuivalen bagi satu sistem HVDC. Penyelesaian aliran daya

dc secara garis besar sama dengan studi aliran beban ac mulai menggunakan metode Gauss-

Seidel, Newton-Raphson hingga Fast Decoupled-NR namun dengan beberapa pembatasan

antara lain:

1. Sudut α dan dibatasi pada nilai-nilai yang sangat dekat dengan nilai minimum yang

telah ditentukan sebelumnya

2. Sadapan tegangan (voltage tap) dibatasi untuk nilai minimum dan maksimum yang

disertakan sebagai regulasi tegangan dan disertakan sebagai bagian dari rasio

transformator baik bagi sisi penyearah maupun sisi inverter.

Bahasan lanjut mengenai studi aliran beban dc terutama ketergantungannya dengan

pengumpan/feeder ac maupun beban ac pada satu jaringan kompleks akan diulas pada

artikel yang berbeda.

Studi Harmonisa

Studi harmonisa merupakan salah satu bagian penting karena memberikan sumbangan rugi-rugi

yang signifikan untuk kasus-kasus tak normal yang disebabkan oleh beban-beban non-linear yang

mempengaruhi kestabilan induktif dan kapasitif dan pada gilirannya bertransformasi menjadi rugi

rugi termal

, rugi-rugi pengalihan daya

dan rugi-rugi lucutan muatan (partial

discharge dan korona)

. Rugi-rugi induktif dari harmonisa sistem HVDC pada frekuensi di

11

atas 315 Hz dapat mengganggu saluran komunikasi sehingga perlu adanya pemasangan filter

harmonisa

Harmonisa sisi ac-pengumpan komutasi penyearah.

Komutasi pada HVDC sangat dipengaruhi oleh superposisi dari tegangan dan arus yang melalui

katup-katup/valves konverter. Gambar 11 merupakan salah satu contoh bentuk pendekatan

gelombang ac (baik untuk tegangan maupun arus tanpa pengaruh induktansi) untuk keperluan

analisis harmonisa.

Gambar 11

Tegangan dan arus pengumpan pada salah satu fase terhadap netralnya digunakan sebagai

komponen untuk keperluan analisis harmonisa; dengan menganggap semua fase memiliki

besaran tegangan/arus yang identik maka dapat diaproksimasi menggunakan pendekatan

bentuk kudratik:

Menggunakan analisis fourier maka akan akan diperoleh pendekatan dengan deret fourier:

....[B.6]

Namun karena deret [B.6] divergen terhadap gelombang dasarnya maka analisis harmonisa

secara ideal menggunakan:

12

Yang merujuk kepada komponen-komponen harmonisa ganjil; namun demikian deret [B.6]

masih sering digunakan untuk menganalisis bentuk gelombang faktual dengan konsideran

harmonisa kedua dan keempat yang muncul dengan besaran yang signifikan sehingga pada sisi

pengumpan ac dipasang pula band pass filter/single tuned filter untuk harmonisa kedua dan

kadang-kadang untuk harmonisa keempat selain untuk harmonisa ketiga dan kelima dipasang

double-tuned filter/filter tune-ganda.

Gambar 12, Gambar 13 dan Gambar 14 merupakan contoh-contoh filter berikut impedansinya

pada frekuensi dasar 50 Hz.

Gambar 12

Gambar 13

13

Gambar 14

Harmonisa pada saluran dc.

Gambar 15

Gambar 15 merupakan pendekatan gelombang dasar 3 fasa-netral pembentuk gelombang dc

dasar seperti pada Gambar 16 berikut ini dengan a=325 sehingga setara dengan arus puncak

sinus 800 Ampere dan sudut tenggang α=60 tanpa menyertakan efek sudut komutasi karena

sudut beban pada ujung inverter sangat kecil sehingga bisa diabaikan.

14

Gambar 16

Superposisi arus pada sisi valve anode terhadap tegangan sisi valve katode sehingga

menghasilkan arus seperti pada Gambar 17 yang merupakan tampilan simulasi untuk rangkaian

6-bridge rectifier:

Gambar 17

Dengan besar harmonisa:

15

Pendekatan bentuk gelombang seperti pada Gambar 15 memungkinkan kita untuk membuat

simulasi gelombang dengan menyertakan gangguan harmonisa-harmonisa non-karakteristik

pada periode pembangkitan sejauh satu siklus yang disebabkan oleh ketidakstabilan komutasi,

seperti Gambar 18 yang merupakan tampilan simulasi dari arus pada 12-bridge rectifier.

Gambar 18

Jenis filter analog yang digunakan sama seperti untuk sisi ac atau menggunakan re-injenction

rippless tuned filter pada Gambar 19.

16

Gambar 19

Problem harmonisa triplen

Harmonisa kelipatan tiga atau lebih dikenal sebagai harmonisa triplen merupakan salah satu

kontribusi rugi-rugi bagi sistem HVDC. Harmonisa triplen mungkin dihasilkan oleh:

1. Komutasi yang kurang sempurna pada sekuensialnya.

2. Beban non-linear dari sisi inverter yaitu beban dengan nilai induktif tinggi seperti motor-

motor listrik atau transformator distribusi pada jaringan listrik.

Harmonisa ini memberikan sumbangan rugi-rugi termal pada saluran dc. Gambar 20, Gambar

21 dan Gambar 22 berikut ini secara berurutan menunjukkan kemungkinan terjadinya

harmonisa triplen. Gambar 20 menunjukkan harmonisa dari sisi penyearah/rectifier dan

Gambar 21 menunjukkan harmonisa dari sisi inverter dengan beban non-linier kecil dari sistem

HVDC monopolar 6-pulsa.

Gambar 20

17

Gambar 21

Gambar 22

Gambar 23, Gambar 24 dan Gambar 25 mensimulasikan arus dc pada sistem HVDC bipolar back-

to-back/pungung-ke-punggung

18

Gambar 23

Gambar 24

0

5

10

15

20

25

30

3 6 9 12 15 18 21 24

Harmonisa 12-pulsa Ideal/Karakteristik

19

Gambar 25

Referensi:

Direct Current Transmission, 1971, Willey Interscience, EW Kimbark

Direct Curent Transmission, 1983, Jos Arillaga

HVDC, chapter 11, 2003, JR. Lucas

Perhitungan Harmonisa Triplen Pada Sistem HVDC Monopolar, Tesis 2001, Universitas

Diponegoro, Stefanus Windarhariadi

Harmonic Analysis of A Non-Conventional HVDC System, IJTPE Journal, ISSN 2077-3528, 2012,

O.C Ozerdem, S. Gundes, S. Biricik.

Curriculum Vitae

Stefanus Windarhariadi S.T

Pendidikan: S1 Teknik, Jurusan Elektro Tenaga Listrik, Universitas Diponegoro, lulus th. 2000

Pekerjaan : - Quality Assurance Engineer di P.T CG Power System Indonesia

- Quality inspector dan konsultan kelistrikan mandiri

Kontak : stefanuswindarhariadi@yahoo.co.id