Volume 4 No.1 Tahun 2005

Jurnal Rekayasa Elektrika

31

SIMULASI SISTEM TRANSMISI TEGANGAN TINGGI ARUS SEARAH 6-PULSA 500 MW (250 KV – 2 KA)

Ramon Zamora dan Ibnu Hasmi P.

Laboratorium Teknik Tenaga Listrik

Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala Jl. Syech Abdurrauf No. 7 Darussalam-Banda Aceh 23111

ABSTRAK

Sistem transmisi tegangan tinggi arus searah adalah sistem penyaluran daya listrik tegangan tinggi arus searah dengan menggunakan konverter penyearah sebagai pengkonversi dari daya AC menjadi daya DC. Pada karya ilmiah ini dibahas mengenai paramater-parameter besaran listrik yang diperlukan pada sistem transmisi tegangan tinggi arus searah sehingga tegangan pada sisi DC mempunyai parameter jatuh tegangan dan bentuk gelombang keluaran yang masih memenuhi standard. Sistem tersebut disimulasikan dengan memodelkan Sistem Transmisi Tegangan Tinggi Arus Searah 6-pulsa 500MW (250kV, 2kA) dengan menggunakan program Simulasi MATLAB. Hasil simulasi ini memperlihatkan bahwa pada saluran yang panjangnya 300 km terdapat jatuh tegangan sebesar 3,6% dan pada panjang 600 km jatuh tegangannya sebesar 6,8%, sedangkan bentuk gelombang mempunyai ripple yang kecil (Ripple Factor = 0,1) sehingga dapat disimpulkan bahwa sistem transmisi tegangan tinggi arus searah untuk saluran yang panjang memiliki jatuh tegangan di bawah 10% dan ini merupakan nilai jatuh tegangan yang dapat ditoleransi. Kata kunci: sistem transmisi, tegangan tinggi arus searah, thyristor, tegangan, daya.

1. PENDAHULUAN

Dewasa ini saluran transmisi di dunia sebagian besar adalah saluran AC. Namun sejak perkembangan teknologi semikonduktor, khususnya teknologi thyristor, penyaluran arus searah (DC) mulai dikembangkan. Tahun 1954 pada umumnya diakui sebagai permulaan dari transmisi DC bertegangan tinggi yang modern, ketika saluran DC dimulai operasinya dengan tegangan 100 kV dari Vasterik di daratan Swedia ke Visby di pulau Gotland, suatu jarak sepanjang 100 km (62,5 mil) menyeberangi Laut Baltik [1].

Sistem transmisi tegangan tinggi arus searah mempunyai beberapa kelebihan dibandingkan sistem transmisi tegangan tinggi arus bolak-balik, antara lain : jumlah konduktor yang digunakan lebih sedikit dan stress tegangan yang ditimbulkan lebih kecil. Walaupun demikian, keterbatasan dalam perubahan nilai tegangan

masih membuat sistem transmisi tegangan tinggi arus searah kurang umum digunakan.

Suatu sistem transmisi tegangan tinggi arus searah memerlukan konverter untuk mengkonversikan daya AC menjadi DC. Thyristor dengan daya maupun tegangan yang tinggi dapat dimanfaatkan untuk peralatan konverter.

Sistem transmisi tegangan tinggi arus searah secara umum terdiri dari sumber tegangan, filter AC, transformator, thyristor, smoothing reaktor dan medium transmisi. Perlu adanya perencanaan yang optimal pada setiap bagian tersebut sehingga dihasilkan bentuk gelombang keluaran dan jatuh tegangan yang memenuhi standar. Sehingga penyaluran daya DC yang sampai ke beban menjadi optimal.

2. TEKNOLOGI TEGANGAN TINGGI ARUS SEARAH

2.1 Gambaran Umum

Sepanjang 40 tahun terakhir banyak inovasi

teknis telah direalisir dalam bidang sistem transmisi tegangan tinggi arus searah. Sebagai contoh, teknologi konverter yang dulunya menggunakan mercury arc klep berubah menjadi thyristor klep dan begitu juga sistem kendali dan proteksi yang menggunakan teknologi analog berubah menjadi digital.

Komponen - komponen utama dari suatu sistem tegangan tinggi arus searah adalah stasiun konverter di sisi pengirim yang disebut penyearah, stasiun konverter di sisi penerima yang disebut inverter, medium transmisi dan elektroda [2].

Stasiun konverter ini memiliki beberapa komponen peralatan yang mendukung untuk tercapainya proses konversi dari AC ke DC dan sebaliknya. Rudervall dkk menjelaskan tentang komponen-komponen yang terdapat pada stasiun konverter sebagai berikut [2]: a. Thyristor

Thyristor dipakai sebagai konverter untuk proses konversi dari AC ke DC dan sebaliknya. Konverter dibangun dengan sirkuit jembatan thyristor 6-pulsa keluaran yang diperlukan untuk mengurangi ripple keluaran pada konverter.

b. Transformator

Volume 4 No.1 Tahun 2005

Jurnal Rekayasa Elektrika 32

Transformator konverter berfungsi sebagai penyesuai level tegangan AC-AC dan berperan sebagai reaktansi komutasi.

c. Filter AC dan Kapasitor Bank Filter AC berfungsi untuk membatasi jumlah harmonik yang diperlukan untuk level jaringan sistem AC transmisi tersebut. Pada proses konversi, konverter mengkonsumsi daya reaktif yang dikompensasi sebagian oleh filter AC dan sisanya oleh kapasitor bank.

d. Smoothing Reaktor Smoothing reaktor yang merupakan induktansi besar dipasang di sisi DC untuk mengurangi ripple keluaran dari arus searah.

e. Filter DC Pada sisi keluaran konverter atau sisi DC juga dipasang filter untuk lebih mengoptimalkan penyaluran daya DC.

f. Sistem Kontrol : Sistem kontrol ini yang membantu dalam hal melakukan proses trigger terhadap thyristor, yang bertujuan untuk memperoleh kombinasi tegangan dan arus yang diinginkan oleh sistem DC tersebut.

g. Medium Transmisi : Untuk transmisi daya listrik di atas daratan, medium transmisi paling sering yang digunakan adalah saluran udara (overhead). Saluran overhead ini secara normal berkutub dua, yaitu dua konduktor dengan polaritas yang berbeda. Kabel tegangan tinggi arus searah secara normal digunakan untuk transmisi bawah laut. Paling umum digunakan jenis kabel padat (solid) dan oil-filled. Jenis yang padat banyak digunakan karena paling ekonomis. Isolasinya terdiri dari pita kertas yang dipenuhi suatu minyak dengan sifat merekat (viskositas) tinggi. Dan untuk batasan panjang jenis kabel seperti ini adalah diatas 1000 m. Sedangkan kabel oil-filled sepenuhnya diisi dengan suatu minyak yang sifat merekat (viskositas) rendah. Panjang maksimum untuk kabel seperti ini adalah sekitar 60 km.

Beberapa piranti lain juga diperlukan oleh stasiun konverter, seperti pemutus kontak, transduser tegangan dan arus, surge arrester, dan lain lain. Gambar 2.1 memperlihat rangkaian peralatan-peralatan pada stasiun konverter.

Gambar 2.1 Stasiun Konverter [2]

2.2 Thyristor Penyearah

Telah diketahui bahwa penyearah dioda akan menghasilkan tegangan keluaran yang tetap. Jika diinginkan suatu keluaran tegangan searah yang terkendali, maka thyristor lebih tepat digunakan dibanding dioda. Tegangan keluaran penyearah thyristor bervariasi bergantung pada sudut penyalaan pada thyristor. Penyearah tiga fasa secara ekstensif digunakan pada banyak aplikasi industri hingga level daya 120 kW. Gambar 2.2 memperlihatkan rangkain penyearah penuh dengan beban yang induktif. Rangkaian ini dikenal sebagai jembatan tiga fasa. Thyristor dinyalakan pada interval π/3. Pada ωt = π/6 + α, thyristor T6 telah tersambung dan thyristor T1 akan dinyalakan.

Selama interval (π/6 + α) ≤ ωt ≤ (π/2 + α), thyristor T1 dan T6 tersambung dan tegangan line-to-line vab ( = van – vbn ) akan muncul sepanjang beban. Jika thyristor diberi nomor seperti pada Gambar 3.1, baris penyalaan akan 12, 23, 34, 45, 56 dan 61. masukan, tegangan keluaran, arus masukan dan arus yang melalui thyristor [3].

Gambar 2.2 Rangkaian jembatan penyearah 3-fasa

thyristor [3] Bentuk gelombang keluaran dapat dilihat pada Gambar 2.3 di bawah ini.

(a) Vs tegangan sumber

T56 T61 T12 T23 T34 T45 T56

v

0

α Vm

Vs

ωt

van vbn vcn

Volume 4 No.1 Tahun 2005

Jurnal Rekayasa Elektrika

33

(b) Vdc tegangan penyearah

Gambar 2.3 Gelombang tegangan keluaran [3]

Jika tegangan line-to-netral didefenisikan sebagai

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

=

32sin

32sin

sin

πω

πω

ω

tVv

tVv

tVv

mcn

mbn

man

tegangan line-to-line yang bersesuaian akan diperoleh sebagai

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=−=

2sin3

2sin3

6sin3

πω

πω

πω

tVvvv

tVvvv

tVvvv

mancnca

mcnbnbc

mbnanab

Tegangan keluaran rata-rata diperoleh dari

( ) ( )∫∫+

+

+

+=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +==

απ

απ

απ

απα

πωπω

πω

π2

6

2

6cos

336

sin333 mmabdc

VtdtVtdvV

....................................................................................(1) Tegangan keluaran rata-rata maksimum untuk sudut penyalaan, α = 0 adalah

πm

dmV

V33

= ..................................................(2)

2.3 Tegangan dan Arus Saluran Transmisi DC

Rangkaian komplit ekuivalen untuk saluran

transmisi DC ditunjukkan pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Diagram satu garis saluran transmisi

tegangan tinggi arus searah

Sebuah generator 3-fasa (power system) menyalurkan daya ke beban pada suatu rangkaian yang

seimbang adalah 3 kali daya pada semua fasa, karena daya pada semua fasa adalah sama [1].

Jika besarnya tegangan ke netral Vp dan arus fasa Ip untuk suatu beban yang terhubung-Y, maka daya 3-fasa total adalah

P = 3VpIp cos θ ...........................................(3) di mana θ adalah sudut dengan mana arus fasa tertinggal terhadap tegangan fasa. Jika VL dan IL berturut-turut adalah besarnya tegangan antar-saluran dan arus saluran, maka

3L

pV

V = dan Ip = IL ......................................(4)

Total vars adalah

Q = 3VpIp sinθ ............................................(5) Dan voltampere dari beban adalah

pp IVQPS 322 =+= ..................................(6 ) Untuk daya pada saluran transmisi DC adalah

Pdc = Vdc x Idc ..............................................(7)

Dan daya yang diserap oleh beban adalah

Pbeban = Vdc’ x Idc’ ........................................(8)

3. MODEL SEDERHANA SIMULASI

Simulasi ini dibangun dengan memodelkan semua sistem rangkaian listrik yang ada. Pemodelan sistem dapat dibuat dengan mengggunakan blok-blok diagram yang telah tersedia di dalam MATLAB command windows (Simulink Library Browser). Sistem jaringan AC 315 kV, 5000 MVA, digunakan untuk mengalirkan daya ke beban 500 MW (250kV, 2kA) jaringan DC. Gambar 3.1 memperlihatkan gambar model rangkain sederhana tegangan tinggi arus searah. Jaringan AC ekuivalen dimodelkan oleh sumber tegangan 3 fasa 315 kV, 50 Hz dengan 3-fasa RLC paralel dan filter AC (300 Mvar). Daya reaktif yang diperlukan oleh konverter diberikan oleh filter AC. Untuk mengetahui topologi filter dapat dilihat pada subsistem filter AC (Gambar 3.2). Topologi filter AC terdiri dari kapasitor bank (75 Mvar), filter ke-5 (75 Mvar), filter ke-7 (75 Mvar), dan high-pass damped filter (75 Mvar) ; total 300 Mvar [4].

ωt

0 vcb vab vac vbc vba vca vcb

π/6 π/6 + α π/2 + α

π

3π/2

2π

vdc

Volume 4 No.1 Tahun 2005

Jurnal Rekayasa Elektrika 34

Gambar 3.1 Model rangkaian simulasi sistem transmisi

Tegangan Tinggi Arus Searah 500 MW (25 kV - 2 kA) [4]

3 C2 B1 A

A B C

F3

A B C

F2

A B C

F1

A B C

C1

Gambar 3.2 Rangkaian topologi filter AC [4]

Transformator konverter dan penyearah adalah dimodelkan berturut-turut dengan blok Universal Transformer dan Universal Bridge. Konverter adalah suatu penyearah 6-pulsa dengan menggunakan thyristor. Penyearah ini dihubungkan dengan saluran transmisi 300 km melalui suatu smoothing reaktor 0,5 H. Beban ekuivalen 500 MW disisi akhir saluran transmisi dimodelkan dengan series RLC Load.

4. ANALISIS SISTEM TRANSMISI 4.1 Sumber Tegangan 3-fasa

Pada simulasi sistem transmisi tegangan tinggi arus searah yang dilakukan di sini, sumber tegangan merupakan sumber tegangan 3-fasa ekuivalen dengan tegangan rms fasa ke fasa adalah 315 kV, 50 Hz dan level daya 3-fasa short-circuit 5000 MVA. Tegangan 315 kV diperlukan untuk mengalirkan daya ke beban 500 MW melalui saluran transmisi tegangan tinggi 250 kV. Sumber tegangan ini menghasilkan daya aktif dan reaktif dengan faktor daya (cosθ = 0,94 ; θ = 200).

Dari parameter-parameter diatas maka dapat dihitung

3L

pV

V = dan Ip = IL =1kA

3

315kVVp = = 181,87 kV

maka P = 3VpIp cos θ P = 3 (181,87kV) (1kA) cos 200 = (545,61) (0,94) = 512,8734 MW

Total var adalah

Q = 3VpIp sin 200 = (545,61) (0,34) = 185,5074 Mvar

dan voltampere (VA) adalah

pp IVQPS 322 =+= = 545,61 MVA.

4.2 Filter Harmonik 3-fasa

Filter harmonik 3-fasa digunakan untuk

mengurangi penyimpangan tegangan pada sistem tenaga dan juga sebagai koreksi faktor daya. Filter harmonik 3-fasa dirangkai dengan menggunakan komponen RLC. Nilai-nilai resistansi, induktansi dan kapasitansi ditentukan oleh parameter sebagai berikut :

• Daya reaktif pada tegangan nominal (var) • Frekuensi tuning (Hz) • Faktor kualitas

Jika kita analisis hubungan impedansi sumber dengan frekuensi pada sistem transmisi 315 kV, 50 Hz dengan penyearah tyristor 6-pulsa. Maka akan ditunjukkan nilai impedansi sebesar 315 Ohm pada frekuensi dasar 50 Hz, dapat dilihat pada gambar 4.1.

Gambar 4.1 Impedansi vs Frekuensi

Maka didapat daya reaktif total (QC) pada frekuensi dasar 50 Hz dengan reaktansi kapasitif (XC) 331 ohm adalah

var300331315 22

MohmkV

XV

QC

pC ===

Sehingga filter AC dapat dibangun oleh empat komponen yang dihubungkan paralel, dengan total daya reaktif 320 Mvar :

• Capasitor bank (C), 75 Mvar ; 2,14 µF • Single-tuned filter, 75 Mvar ; orde-5 ; faktor

kualitas = 100

Volume 4 No.1 Tahun 2005

Jurnal Rekayasa Elektrika

35

• Single-tuned filter, 75 Mvar ; orde-7 ; faktor kualitas = 100

• High-pass filter, 75 Mvar ; orde-13 ; faktor kualitas = 3

Untuk membandingkan suatu sistem yang

menggunakan filter AC dan tanpa filter AC dapat dilihat pada Gambar 4.2 dan 4.3.

(a) Tegangan sumber 3-fasa (Vabc)

(b) Arus sumber (Iabc)

(c) Tegangan arus searah ujung kirim saluran (VdL1)

Gambar 4.2 Gelombang keluaran tegangan dan arus

pada sistem tanpa menggunakan filter AC

(a) Tegangan sumber 3-fasa (Vabc)

(b) Arus sumber (Iabc)

(c) Tegangan arus searah ujung kirim saluran (VdL1)

Gambar 4.3 Gelombang keluaran tegangan dan arus

pada sistem dengan menggunakan filter AC Normalnya tegangan yang dicatu pada sistem

transmisi adalah keluaran gelombang sinusoidal, pengaruh penggunaan peralatan-peralatan yang parameternya non-linier seperti penyearah arus dan peralatan elektromagnetis yang memakai inti besi, menimbulkan resultan arusnya tidak sinusoidal lagi.

Suatu filter AC diperlukan untuk meminimalisasi ripple keluaran tegangan AC sehingga bentuk gelombang keluaran menjadi murni sinusoidal. Selain itu, dari Gambar 4.3 dapat dilihat bahwa dengan adanya filter AC maka tegangan DC pada sisi kirim dapat ditingkatkan.

4.3 Transformator dan Jembatan Penyearah Thyristor 6-pulsa

Simulasi tegangan tinggi arus searah ini

menggunakan thyristor sebagai konverter daya. Konverter ini dibangun dengan jembatan penyearah terkendali (thyristor) 6-pulsa. Sisi primer transformator (hubungan bintang dibumikan) terhubung dengan sumber tegangan 3-fasa dan sisi sekunder transformator (hubungan delta) terhubung dengan jembatan thyristor.

Untuk menganalisa tegangan-tegangan yang dihasilkan pada transformator dan penyearah thyristor 6-pulsa, dapat dilihat pada gambar-gambar di bawah ini.

Gambar 4.4 memperlihatkan tegangan pengukuran transformator pada sisi primer. Uag adalah tegangan transformator sisi primer fasa a ke tanah sebesar 181,87 kV yang merupakan tegangan kirim dari sumber tegangan 3-fasa 315 kV atau tegangan fasa ke tanah Vp = 315kV/√3 = 181,87 kV.

Volume 4 No.1 Tahun 2005

Jurnal Rekayasa Elektrika 36

Gambar 4.4 Tegangan pengukuran transformator

sisi primer Uag (V) Gambar 4.5 memperlihatkan tegangan

pengukuran transformator pada sisi sekunder. Uab adalah tegangan transformator sisi sekunder fasa-ab sebesar 210 kV.

Gambar 4.5 Tegangan pengukuran transformator

sisi sekunder Uab (V)

Maka dapat kita ketahui bahwa transformator tersebut bertujuan untuk menaikkan level tegangan yang dikirim ke level tegangan yang diperlukan oleh sistem, gambar gelombang keluaran tegangan dapat dilihat pada Gambar 4.6. Tegangan yang dikirim dari sumber tegangan 3-fasa 315 kV sebesar Vp = 181,87 kV dan dinaikkan menjadi 210 kV.

Tegangan Uab sebesar 210 kV ini yang masuk ke jembatan penyearah thyristor 6-pulsa yang diperlukan untuk memperoleh tegangan DC rata-rata sebesar 259,2 kV.

Gambar 4.6 Tegangan keluaran rata-rata penyearah

thyristor 6-pulsa Udc (V) Rangkaian snubber RC untuk thyristor dapat dilihat pada gambar 4.7 di bawah ini.

Gambar 4.7 Rangkaian subber RC dimana,

RS = 2 kOhm CS = 50 x 10-9 F

Dan gambar bentuk gelombang tegangan keluaran thyristor T1 dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar 4.8 Gelombang tegangan thyristor 1

4.4 Analisis Tegangan dan Arus Saluran Transmisi

Pada simulasi yang dilakukan, didapat hasil

pengukuran tegangan dan arus di sisi pengirim dan penerima saluran transmisi dengan panjang 300 km sebagai berikut : Sisi kirim :

Vk = 258 kV Ik = 2 kA Pk = Vk x Ik = 516 MW

dimana : Vk = tegangan ujung kirim saluran

Ik = arus ujung kirim saluran Pk = daya ujung krim saluran

Sisi terima :

Vt = 249 kV It = 2 kA Pt = Vt x It = 498 MW

dimana : Vt = tegangan ujung terima saluran It = arus ujung terima saluran Pt = daya ujung terima saluran

Volume 4 No.1 Tahun 2005

Jurnal Rekayasa Elektrika

37

=×∆ %100

nVV

Jatuh tegangan : ∆V = Vk - Vt

= 258 – 249 = 9 kV dalam persen,

%6,3%1002509%100 =×=×

∆kV

kVV

V

n

Rugi-rugi daya adalah,

Pl = Pk - Pt = 516 – 498 = 18 MW Jika dari simulasi tersebut kita rubah panjang saluran transmisi menjadi : • 600 km, maka : Sisi kirim :

Vk = 259 kV Ik = 2 kA Pk = 518 MW Sisi terima :

Vt = 242 kV It = 2 kA Pt = 484 MW Jatuh tegangan :

∆V = 17 kV dalam persen,

6,8% Rugi-rugi daya adalah,

Pl = Pk - Pt = 518 – 484 = 34 MW

Dan faktor ripple (RF) dari penyearah tersebut adalah :

dc

ac

VV

RF =

22

dcrmsac VVV −= dimana, Vac = nilai efektif (rms) komponen AC

Vrms = nilai rms tegangan keluaran penyearah Vdc = nilai rata-rata tegangan penyearah

Dari data pengukuran didapat nilai,

Vrms = 260,5 kV Vdc = 259,2 kV

22dcrmsac VVV −=

= 26 kV Maka, RF = 26/259,2

= 0,1

Dari hasil perhitungan dapat kita lihat bahwa jatuh tegangan pada kedua panjang saluran tersebut adalah di bawah 10%.

5. KESIMPULAN Dari penjelasan dan hasil simulasi di atas dapat disimpulkan sebagai berikut :

1. Jatuh tegangan pada saluran yang panjangnya 300 km adalah sebesar 3,6% dan pada panjang 600 km jatuh tegangannya adalah sebesar 6,8%. Maka jatuh tegangan pada sistem transmisi tersebut adalah di bawah 10% dan ini merupakan nilai jatuh tegangan yang dapat ditoleransi.

2. Sumber tegangan 3-fasa pada sistem transmsi tegangan tinggi arus searah, perlu adanya filter AC untuk menghasilkan gelombang keluaran tegangan yang murni sinusoidal sehingga diperoleh tegangan yang diinginkan pada sistem transmisi tersebut.

3. Bentuk gelombang keluaran tegangan arus searah juga tidak murni searah atau masih memilik ripple keluaran, tetapi hal ini masih dapat ditoleransi oleh sistem karena tidak terlalu berpengaruh terhadap tegangan ujung terima sistem transmisi tersebut.

6. REFERENSI [1] Stevenson Jr, W D 1994, ‘Analisis Sistem Tenaga

Listrik’, edisi ke-4, PT. Gelora Aksara Pratama, Jakarta.

[2] Rudervall, R, Charpentier, J P dan Sharma, R 1999, ‘High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper’, tanggal akses 20 Februari 2005, <http://www.worldbank.org/html/fpd/em/ transmission/technology_abb.pdf>.

[3] Rashid, M H 1999, ‘Elktronika Daya’, edisi Indonesia, jilid ke-2, PT. Prenhallindo, Jakarta.

[4] The Math Works, ‘MATLAB 7’, release 14, <http://www.mathworks.com>.

[5] Woodford, D A 1998, ‘HVDC Transmission’, tanggal akses 20 Februari 2005 <http://www.hvdc.ca/pdf_misc/dcsum.pdf>.