5

BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1 Tinjauan Mutakhir

Penelitian yang membahas tentang sistem kontrol pada Grid-connected

Solar System sudah cukup banyak dilakukan, namun belum banyak penelitian yang

membahas tentang sistem kontrol PLTS saat tersambung ke jaringan PLN dan saat

Islanding (jaringan mati), jadi perlu dilakukan penelitian lebih lanjut lagi sehingga

teknologi pada bidang ini dapat lebih dikembangkan. Berikut ini merupakan

beberapa penelitian yang telah dilakukan berkaitan dengan Grid-connected Solar

System.

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Bambang Sujanarko pada tahun

2010, yang menjelaskan tentang suatu metode baru untuk proses sinkronisasi

koneksi inverter PWM VSI dengan jaringan listrik satu fase yang terdistorsi,

dengan menggunakan tapis untuk membangkitkan sinus murni, dan kompensator

sebagai pemulih perubahan sudut akibat filter daya. Hasil simulasi dengan

MATLAB menunjukkan bahwa metode baru tersebut dapat menghasilkan

sinkronisasi yang lebih baik bila dibandingkan dengan metode sinkronisasi yang

lain, karena menghasilkan fase dan bentuk gelombang sebagaimana bentuk

gelombang pada jaringan.

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Kiki Kananda dan Refdinal

Nazir pada tahun 2013, yang membahas tentang pengajuan suatu konsep

pengaturan aliran daya antara PLTS, grid PLN dan beban dimana beban yang

tersambung dengan sistem PLTS dan grid menggunakan energi yang sama dengan

yang disalurkan oleh PLTS dalam jangka waktu tertentu. Dalam hal ini, grid

menjadi penyimpan atau pemberi pinjaman sementara untuk pemenuhan

permintaan beban. Sehingga dengan penerapan konsep tersebut, pengeluaran yang

diperlukan hanya biaya investasi dari sistem PLTS tanpa baterai dan biaya sewa

jaringan di sistem rumah tinggal dengan PLTS. Pembahasan dalam penelitian ini

meliputi rangkaian pemodelan, pemodelan dengan MATLAB dan Simulasi dari

konsep yang diajukan.

6

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Helly Andri pada tahun 2012,

yang membahas tentang perancangan, pembuatan dan pengujian inverter satu fasa

yang karakteristiknya sama dengan tegangan grid. Proses tersebut dilakukan

dengan mengontrol kerja inverter sehingga diperoleh amplitudo, frekuensi dan

sudut fasa yang sesuai dengan tegangan grid menggunakan metode algoritma

digital Phase Locked Loop (PLL), serta pengujian algoritma digital PLL secara real-

time terhadap sumber tegangan grid satu fasa dengan tujuan membuktikan bahwa

algoritma PLL yang dimodifikasi merupakan metode yang sederhana dengan

memberikan hasil waktu steady state 1,0 detik, serta memberikan respon amplitudo,

frekuensi dan sudut fasa estimasi yang sama dengan tegangan grid. Amplitudo,

frekuensi dan sudut fasa dari vektor tegangan grid adalah informasi dasar data untuk

melakukan sinkronisasi terhadap peralatan pengkondisian daya. Pengambilan data

informasi vektor tegangan grid yang akurat, akan sangat penting untuk memastikan

operasi yang benar dari sistem kontrol. PLL digital satu fasa ini di implementasikan

dengan membuat fasa virtual yang tertinggal (lagging) sebesar 900 dari tegangan

grid yang diukur dengan menggunakan algoritma All Pass Filter (APF) dengan

hasil persentase error nol persen.

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Rudy Setyabudy, dkk pada

tahun 2012, yang menjelaskan tentang peningkatan kinerja Grid tie inverter (GTI)

saat kondisi Islanding. Pada aplikasi pembangkit surya masukan GTI berasal dari

panel surya dan keluaran GTI dapat dihubungkan dengan beban (beban lokal) dan

utiliti grid. Dimana karakter utama GTI adalah hanya dapat bekerja jika terhubung

dengan grid, jika tidak ada tegangan grid maka GTI tidak dapat menghasilkan daya

karena tidak ada referensi tegangan yang dapat menjadi acuan kerja GTI. Sehingga

pada saat kondisi islanding sistem jaringan listrik mikro tidak dapat bekerja karena

jika tidak ada acuan daya dari grid perangkat GTI tidak dapat bekerja. Hasil yang

diperoleh pada penelitian ini adalah dengan penambahan perangkat Uninterruptible

Power Supply (UPS) pada sistem jaringan listrik mikro dapat memperbaiki kinerja

GTI sehingga pada saat kondisi islanding perangkat GTI masih dapat bekerja,

dengan perangkat UPS sebagai acuan kerja GTI.

7

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Guruh Srisadad pada tahun

2012 yang membahas tentang Solar Home System (SHS), yang merupakan sistem

pembangkit listrik tenaga surya yang diaplikasikan pada sebuah rumah tinggal.

Dengan menggunakan sebuah inverter jenis GTI atau grid tie inverter, listrik DC

yang dihasilkan modul photovoltaic diubah menjadi listrik AC 220V 50Hz yang

dapat tersinkronisasi dengan tegangan jala-jala PLN, sehingga jaringan listrik

sistem rumah solar dapat terhubung dengan jaringan distribusi PLN. Dengan

menghubungkan sistem photovoltaic dan sistem jaringan listrik PLN maka daya

yang dihasilkan dapat digunakan untuk menyuplai beban peralatan rumah tangga

sekaligus dieksport atau dikirim ke grid PLN. Dengan mempertimbangkan harga

jual listrik ke PLN yang bervariatif berdasarkan waktu beban puncak sistem

kelistrikan setempat, maka pada perancangan rumah cerdas yang berbasis solar cell

ini, dibuat dua mode kerja yaitu mode PV grid connected dan PV backup battery.

Pengujian sistem eksport import pada rumah cerdas ini dilakukan dengan memberi

beban berupa empat buah lampu pijar dengan daya masing-masing 60 W dan 31

lampu fluorescent dengan daya masing-masing 8 W yang diparalel satu persatu.

Pengukuran daya diambil pada daya output inverter, daya beban, dan daya yang

dikirim ke jaringan listrik PLN.

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Yuddy Saifudin pada tahun

2011, yang membahas tentang Phase Locked Loop (PLL) yang merupakan

merupakan suatu blok yang dapat berupa algoritma maupun rangkaian elektronika,

dengan fungsi sebagai pembentuk sinyal yang sinkron dengan suatu sinyal referensi

tertentu. Dalam penelitian ini, algoritma PLL (digital) akan diaplikasikan untuk

melakukan proses sinkronisasi terhadap suatu sinyal tegangan tertentu yang berasal

dari grid. Proses ini dilakukan dengan tujuan akhir untuk melakukan sinkronisasi

antara sinyal tegangan yang diproses dari output suatu photovoltaic (PV) dengan

sinyal tegangan dari grid yang bersangkutan, untuk melakukan operasi paralel.

Kemudian, PLL digital ini akan dikembangkan dengan low pass filter untuk

menghilangkan osilasi yang terdapat pada output PLL tersebut. Dan akhirnya, all

pass filter (APF) akan digunakan bersama dengan PLL dan low pass filter yang

telah dibuat sebelumnya untuk semakin memperbaiki respon output yang

8

dihasilkan. Kesemua hasil simulasi yang diperoleh akan ditampilkan dalam bentuk

grafik untuk melakukan perbandingan dan analisis. Kemudian, PLL yang telah

disimulasikan akan digunakan bersama algoritma current control untuk

mensimulasikan aplikasi mereka dalam mensuplai grid dengan faktor daya yang

optimal.

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Fadhli MR pada tahun 2010,

yang membahas tentang salah satu peralatan elektronika yaitu inverter yang

berfungsi mengubah tegangan DC Menjadi tegangan AC, salah satunya adalah DC

12 V menjadi tegangan 220 AC 50Hz dan gelombang keluarannya sinusoidal.

Inverter yang dibangun akan dilengkapi dengan Low Pass Filter (LPF) yang

merupakan suatu rangkaian yang meneruskan sinyal-sinyal yang memiliki

frekuensi dibawah frekuensi transisinya, dan melemahkan sinyal-sinyal yang

memiliki frekuensi diatas frekuensi transisinya. Disain rangkaian yang dibuat

memiliki keunggulan karena untuk penguat 2 fasa yang berbeda cukup

menggunakan 2 rangkaian driver dan final yang identik. Tidak diperlukan transistor

yang saling komplementer seperti pada rangkaian penguat push-pull. Konsekuensi

yang ada adalah kebutuhan akan suatu transformator step-up yang memiliki CT

pada kumparan primernya. Selain itu tegangan keluaran yang dihasilkan tidak dapat

mencapai 220V, hal ini disebabkan karena pengaruh jumlah lilitan yang dipakai.

Untuk mendapatkan tegangan keluaran yang diinginkan dimungkinkan dengan

pembuatan trafo sesuai dengan perhitungan yang ada.

Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh Mochammad Salman, dkk,

yang membahas tentang rancang bangun dan implementasi inverter satu fasa yang

terhubung dengan jaringan distribusi menggunakan metode hysteresis current

control. Hal lain yang dibahas adalah mengenai desain sensor arus sebagai pembaca

arus output inverter dan hysteresis current controller sebagai pembuat band (batas)

dan pembaca sinyal dari sensor arus. Untuk mengolah data sensor, menggunakan

mikrokontroler AVR Atmega 16. Metode yang digunakan dalam menyuntikkan

arus dalam grid yaitu dengan metode hysteresis current control, algoritma ini

sangat sesuai untuk koneksi grid dikarenakan memiliki respon yang cepat terhadap

perubahan arus output inverter dan kontrollernya pun sangat mudah diaplikasikan.

9

Berdasarkan hasil pengujian menunjukkan bahwa inverter mampu menyuntikkan

arus ke dalam jaring distribusi, dengan arus sekitar 0.03 A pada tegangan 220 V/50

Hz setelah melewati transformator step up.

2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Sebuah pembangkit listrik tenaga surya secara sederhana terdiri dari enam

bagian yaitu Solar cell module / photovoltaic module (bagian yang berfungsi untuk

mengkonversi energi dari radiasi sinar matahari menjadi energi listrik), charge

controller (untuk menyeimbangkan beban yang sesuai dengan kemampuan sistem

baik secara otomatis atau manual, melindungi baterai dan kabel, memonitor

performa sistem, dan memberikan peringatan bila terjadi gejala abnormal pada

sistem), Re-chargable battery ( bagian yang berfungsi untuk menyimpan energi

yang nantinya digunakan dalam kondisi malam atau selama intensitas energi surya

rendah), Inverter (untuk mengkonversi tegangan DC yang dibangkitkan oleh PLTS

menjadi tegangan AC), Distribution (saluran pendistribusian untuk menyalurkan

energi ke beban baik dalam beban DC yang besarnya biasanya 12 V atau 24 V,

ataupun dalam beban AC) dan Beban (terdiri dari peralatan yang membutuhkan

energi listrik yang disuplai oleh PLTS, dapat dalam DC atau AC dan beban dapat

tersambung langsung dengan PLTS).

2.2.1 Modul Photovoltaic

Modul photovoltaic atau solar cell adalah suatu alat semikonduktor yang

menkonversi foton (cahaya) menjadi listrik. Konversi ini disebut efek photovoltaic,

dengan kata lain efek photovoltaic adalah fenomena dimana suatu sel photovoltaic

dapat menyerap energi cahaya dan mengubahnya menjadi energi listrik. Efek

photovoltaic didefinisikan sebagai suatu fenomena munculnya voltase listrik akibat

kontak dua elektroda yang dihubungkan dengan sistem padatan atau cairan saat

diexpose dibawah energi cahaya. (Mintorogo,2000).

Mekanisme konversi energi cahaya terjadi akibat adanya perpindahan

elektron bebas di dalam suatu atom. Sel surya pada umumnya menggunakan

material semikonduktor sebagai penghasil elektron bebas. Material semikonduktor

adalah suatu padatan berupa logam,yang konduktifitas elektriknya ditentukan oleh

10

elektron valensinya. Material semikonduktor konduktifitasnya akan meningkat

secara signifikan. Saat foton dari sumber cahaya menumbuk suatu elektron valensi

dari atom semikonduktor, akan mengakibatkan suatu energi yang cukup besar untuk

memisahkan elektron tersebut terlepas dari struktur atomnya. Elektron yang

terlepas tersebut bermuatan negatif menjadi bebas bergerak di dalam bidang kristal

dan berada pada daerah pita konduksi dari material semikonduktor. Hilangnya

elektron mengakibatkan terbentuknya suatu kekosongan pada struktur kristal yang

disebut dengan “hole” dengan muatan positif.

Daerah semikonduktor dengan elektron bebas dan bersifat negatif bertindak

sebagai donor elektron. Daerah ini disebut negatif type (n-type). Sedangkan daerah

semikonduktor dengan hole, bersifat positif dan bertindak sebagai penerima

(acceptor) elektron. Daerah ini disebut dengan positive type (p-type). Ikatan dari

kedua sisi positif dan negatif menghasilkan energi listrik internal yang akan

mendorong elektron bebas dan hole untuk bergerak ke arah yang berlawanan.

Elektron akan bergerak menjauhi sisi negatif, sedangkan hole bergerak menjauhi

sisi positif. Ketika p-n junction ini dihubungkan dengan sebuah beban (lampu)

maka akan tercipta sebuah arus listrik. Skema sederhana struktur sel surya

diilustrasikan pada gambar dibawah berikut.

Gambar 2.1 Susunan Lapisan Solar Cell Secara Umum

(ABB QT10, 2010)

11

Untuk memperoleh keluaran tegangan yang cukup, sel surya dirangkai seri

untuk membentuk PV modul. Karena sistem PV biasanya dioperasikan pada

tegangan 12 volt atau 24 volt, maka modul umumnya dirancang untuk operasi

optimal pada sistem ini. Menghubungkan sel surya secara seri mempunyai tujuan

agar tegangan modul (Vm) sesuai dengan tegangan sistem atau tegangan baterai.

Gambar 2.2 Hubungan sel surya, modul, panel, dan array

(ABB QT, 2010)

2.2.2 Inverter

Menurut Andri (2012), inverter berfungsi untuk merubah arus dan tegangan

listrik DC (Direct Current) yang dihasilkan PV array menjadi arus dan tegangan

listrik AC (Alternating Current) dengan frekuensi 50Hz/60Hz. Pemilihan inverter

yang tepat untuk aplikasi tertentu, tergantung pada kebutuhan beban dan tergantung

pada apakah inverter akan menjadi bagian dari sistem yang terhubung ke jaringan

listrik atau sistem yang berdiri sendiri. Berdasarkan bentuk gelombang yang

dihasilkan, inverter di kelompokan menjadi tiga yaitu:

a. Square wave (gelombang kotak)

Pada beban-beban listrik yang menggunakan kumparan / motor square

wave inverter tidak dapat bekerja sama sekali.

b. Modified sine wave

12

Inverter Modified sine wave (gelombang sinus modifikasi),

menghasilkan daya listrik yang cukup memadai untuk sebagian

peralatan elektronik tetapi memiliki kelemahan karena kekuatan daya

listrik yang dihasilkan tidak sama persis dengan daya listrik dari PLN.

c. True sine wave

Inverter true sine wave (gelombang sinus murni) menghasilkan

gelombang listrik yang sama dengan listrik PLN. Bahkan lebih baik dari

segi kestabilan daya listrik dibandingkan daya listrik dari PLN. True

sine wave inverter diperlukan terutama untuk beban-beban yang masih

menggunakan motor agar bekerja lebih mudah, lancar dan tidak cepat

panas.

Modified sine wave inverter ataupun square wave inverter bila dipaksakan

untuk beban-beban induktif maka efisiensinya akan jauh berkurang dibandingkan

dengan True sine wave inverter. Inverter yang terbaik adalah yang mampu

menghasilkan gelombang sinosuidal murni atau true sine wave yaitu bentuk

gelombang yang sama dengan bentuk gelombang dari jaringan listrik (grid utility).

Kualitas bentuk gelombang keluaran yang diperlukan inverter tergantung

dari karakteristik beban yang terpasang. Beberapa jenis beban membutuhkan

gelombang sinusoidal yang murni atau mendekati murni untuk dapat bekerja

dengan baik. Beberapa jenis lainnya hanya membutuhkan gelombang sinusoidal

yang tidak terlalu sempurna untuk bekerja.

Selain dengan menggunakan inverter untuk memperoleh bentuk gelombang

keluaran inverter yang mendekati sinusoidal murni dapat juga digunakan teknik

PWM (Pulse Width Modulation). PWM adalah sebuah cara untuk memanipulasi

lebar sinyal atau tegangan yang dinyatakan dengan pulsa dalam satu periode yang

akan digunakan untuk mengatur tegangan sumber yang konstan untuk mendapatkan

tegangan rata – rata yang berbeda.

Sinyal PWM adalah sinyal digital yang amplitudonya tetap namun lebar

pulsa yang aktif (duty cycle) per periodenya dapat diubah – ubah. Dimana

periodenya adalah waktu pulsa high (1)Ton ditambah waktu pulsa low (0) Toff.

13

Gambar 2.3 Bentuk umum sinyal PWM

(Kristian, 2008)

Duty cycle adalah lamanya pulsa high (1) Ton dalam satu periode. Grafik berikut

menggambarkan sinyal PWM dengan beberapa duty cycle yang berbeda.

Gambar 2.4 Grafik duty cycle sinyal PWM

(Kristian, 2008)

Pada grafik 2.4 PWM teratas terlihat bahwa sinyal high per periodenya

sangat kecil (hanya 10%). Pada garafik PWM ditengah terlihat sinyal high hampir

sama dengan sinyal low (50%). Dan pada gambar paling bawah terlihat bahwa

sinyal high lebih besar dari sinyal low (90%). Jika tegangan input yang melalui

rangkaian tersebut sebesar 10 V. Maka jika digunakan PWM teratas, nilai tegangan

output rata-ratanya sebesar 1 V (10% dari V source), jika digunakan PWM yang

tengah, maka tegangan output rata – ratanya sebesar 5 V (50%). Begitu pula jika

menggunakan PWM yang paling bawah, maka tegangan output rata-ratanya sebesar

9V (90%).

14

Nilai duty cycle ini juga sering disebut sebagai index modulasi bagi PWM

Generator untuk menghasilkan pola pensaklaran bagi switching device. Besarnya

nilai index modulasi mempengaruhi nilai tegangan efektif rata-rata yang dihasilkan

device yang berperan sebagai saklar. Berikut ini rumusnya :

DCRMS VulasiindexV mod………………………(2.1)

Dengan VRMS adalah tegangan efektif (Volt) dan VDC adalah tegangan sumber DC,

sedangkan index modulasi dinyatakan dengan persen atau konstanta.

Untuk mendapatkan sinyal PWM dari input berupa sinyal analog, dapat dilakukan

dengan membentuk gelombang gigi gergaji atau sinyal segitiga yang diteruskan ke

komparator bersama sinyal aslinya.

Gambar 2.5 Skema pembentukan sinyal PWM

(Kristian, 2008)

Apabila digambarkan dalam bentuk sinyal akan terlihat seperti Gambar 2.5 dimana

sinyal input analog (modulating signal) dimodulasikan dengan sinyal gigi gergaji

(carrier) sehingga akan dihasilkan sinyal PWM (pulse width modulated).

Inverter disebut sebagai inverter catu-tegangan (voltage-fed inverter-VFI)

apabila tegangan masukan selalu dijaga konstan, disebut inverter catu-arus

(current-fed inverter-CFI) apabila arus masukan selalu dipelihara konstan, dan

disebut inverter variabel (variable dc linked inverter) apabila tegangan masukan

dapat diatur. Selanjutnya, jika ditinjau dari proses konversi, inverter dapat

dibedakan dalam tiga jenis, yaitu inverter : seri, paralel, dan jembatan. Inverter

jembatan dapat dibedakan menjadi inverter setengah-jembatan (half-bridge) dan

jembatan penuh (full-bridge).

15

2.2.2.1 Inverter Setengah Jembatan Satu Phase

Gambar 2.6 merupakan rangkaian dasar inverter setengah-jembatan satu-

fasa dengan beban resistif dan bentuk gelombangnya. Dalam rangkaian Gambar 2.6

diperlukan dua buah kapasitor untuk menghasilkan titik N agar tegangan pada

setiap kapasitor Vi/2 dapat dijaga konstan. Sakelar S+ dan S- mereprensentasikan

sakelar elektronis yang mencerminkan komponen semikonduktor daya. Sakelar S+

dan S- tidak boleh bekerja secara serempak/simultan, karena akan terjadi hubung

singkat rangkaian. (Espinoza, 2001)

Gambar 2.6 Rangkaian dan Bentuk Gelombang Inverter Setengah Jembatan Satu Phase

(Espinoza, 2001)

Kondisi ON dan OFF dari sakelar S+ dan S- ditentukan dengan teknik

modulasi, dalam hal ini menggunakan prinsip PWM. Prinsip PWM dalam

rangkaian ini membandingkan antara sinyal modulasi Vc (dalam hal ini tegangan

bolak-balik luaran yang diharapkan) dengan sinyal pembawa dengan bentuk

gelombang gigi-gergaji ( V ). Secara praktis, jika Vc > V maka sakelar S+ akan

ON dan sakelar S- akan OFF, dan jika Vc < V maka sakelar S+ akan OFF dan

sakelar S- akan ON. Untuk menghasilkan tegangan luaran (Vo) satu fasa, terdapat

16

tiga kondisi jika Sakelar S+ dan S- dioperasikan sebagaimana ditunjukkan pada

tabel berikut :

Tabel 2.1 Kondisi Saklar Inverter Setengah Gelombang

Sumber : (Espinoza, 2001)

2.2.2.2 Inverter Jembatan Penuh Satu Phase

Gambar 2.7 merupakan rangkaian dasar inverter jembatan satu-fasa dengan

beban resistif dan bentuk gelombangnya. Seperti halnya pada rangkaian inverter

setengah-jembatan di atas, dalam rangkaian ini diperlukan dua buah kapasitor untuk

menghasilkan titik N agar tegangan pada setiap kapasitor Vi/2 dapat dijaga konstan.

Terdapat dua sisi sakelar, yaitu: sakelar S1+ dan S1- serta S2+ dan S2-. Masing-

masing sisi sakelar ini, sakelar S1+ dan S1- dan atau S2+ dan S2-, tidak boleh

bekerja secara serempak/ simultan, karena akan terjadi hubung singkat rangkaian.

Kondisi ON dan OFF dari kedua sisi sakelar ditentukan dengan teknik modulasi,

dalam hal ini menggunakan prinsip PWM, seperti jelaskan pada inverter setengah-

jembatan satu fasa.

17

Gambar 2.7 Rangkaian dan Bentuk Gelombang Inverter Jembatan Penuh Satu Phase

(Espinoza, 2001)

Untuk menghasilkan tegangan luaran (Vo) satu fasa, terdapat lima kondisi jika

sakelar S1+, S1-, S2+, dan S2- dioperasikan sebagaimana ditunjukkan pada tabel

berikut:

18

Tabel 2.2 Kondisi Saklar Inverter Gelombang Penuh

Sumber : (Espinoza, 2001)

2.2.2.3 Natural PWM

Natural PWM atau Sinusoidal PWM (SPWM) adalah cara mendapatkan

sinyal PWM dengan cara sampling alamiah yaitu membandingkan amplitudo

gelombang segitiga sebagai sinyal carrier dan gelombang sinus sebagai sinyal

reference.

Gambar 2.8 Sinyal referensi sinusoidal dan carrier segitiga serta sinyal PWM yang

dihasilkan

(Andri, 2012)

Prinsip kerja SPWM adalah mengatur lebar pulsa mengikuti pola

gelombang sinusoida. Sinyal sinus dengan frekuensi dan amplitudo maksimum

sebagai referensi digunakan untuk memodulasi sinyal carrier yaitu sinyal segitiga

dengan frekuensi dan amplitudo maksimum. Sebagai gelombang carrier, frekuensi

19

sinyal segitiga harus lebih tinggi dari pada gelombang pemodulasi (sinyal sinus).

Perbandingan antara amplitudo gelombang sinusoida dengan gelombang segitiga

disebut indek modulasi amplitudo.

2.2.2.4 Grid Tie Inverter

Menurut Chen (2012), inverter pada sistem pembangkit listrik dapat

dikelompokkan menjadi inverter untuk sistem mandiri dan inverter untuk system

yang terhubung dengan grid. Pada sistem mandiri (off grid), inverter tidak

terhubung dengan jaringan. Daya listrik yang dihasilkan hanya dikonsumsi untuk

beban lokal saja. Artinya daya listrik yang dihasilkan oleh PV tidak semuanya

dikonversi ke listrik akan tetapi hanya sebagian sesuai dengan kebutuhan beban.

GTI adalah inverter yang bekerja dengan terhubung ke jaringan (on grid). Daya

yang dihasilkan oleh PV seluruhnya diubah ke listrik, sebagian dikonsumsi oleh

beban lokal sisanya disalurkan ke jaringan. Akan tetapi pada GTI jika tidak ada

sumber dari jaringan maka tidak dapat bekerja. Blok diagram dari sebuah GTI

seperti terlihat pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 a) Konfigurasi GTI , b) Blok Diagram Model GTI (Grid Tie Inverter)

(Chen, 2012)

Grid Tie Inverter yang merupakan inverter spesial yang biasanya digunakan

dalam sistem energi listrik terbarukan, yang mengubah tegangan DC menjadi AC

20

kemudian diumpankan ke jaringan listrik yang sudah ada. Grid tie inverter juga

dikenal sebagai synchronous inverter dan perangkat ini tidak dapat berdiri sendiri,

apalagi bila jaringan tenaga listriknya tidak tersedia. Dengan adanya grid tie

inverter kelebihan kWh yang diperoleh dari sistem PLTS ini bisa disalurkan

kembali ke jaringan listrik PLN untuk dinikmati bersama dan sebagai penggantinya

besarnya kWh yang disuplai harus dibayar PLN ke penyedia PLTS, tentunya

dengan tarif yang telah disepakati sebelumnya.

2.2.2.5 Voltage Source Inverter

Menurut Ko et.all (2006), Voltage source inverter (VSI) yang terdiri dari

voltage control VSI (VCVSI) dan current control VSI (CCVSI), merupakan

inverter yang paling banyak digunakan, termasuk untuk integrasi sistem

pembangkit terdistribusi, karena VSI lebih efisien, kompak dan lebih murah, bila

dibanding inverter lain (Ko, 2006). Sementara Pulse Width Modulation (PWM)

merupakan metode yang cukup banyak digunakan untuk pengendalian sistem

pengubahan daya listrik, termasuk inverter. VSI juga dapat dikontrol pada suatu

system PLTS On-grid dalam hal proses sinkronisasi terhadap jaringan PLN.

Kondisi sinkron, yaitu kondisi dimana amplitudo, frekuensi dan fase tegangan/arus

sama pada dua atau lebih pembangkit, sangat diperlukan dalam pengoperasian

paralel. Hal yang sama juga berlaku untuk inverter. Bila karakteristik daya listrik

yang dihasilkan inverter tidak sinkron, dimungkinkan pengoperasian paralel akan

mengakibatkan ketidakstabilan dan bahkan kegagalan. Teknik zero crossing, pem-

filter-an tegangan jaringan listrik dan Phase Locked Loop (PLL) merupakan metode

sinkronisasi yang telah banyak digunakan pada inverter.

Metode PLL mampu melakukan sinkronisasi pada jaringan yang memiliki

daya listrik yang mengalami distorsi, walaupun memiliki sistem yang lebih rumit,

berkebalikan dengan metode zero crossing yang memiliki konstruksi yang

sederhana, namun tidak sesuai untuk kondisi daya yang terdistorsi. Sementara pem-

filter-an tegangan jaringan listrik, memiliki kelemahan adanya pergeseran sudut

fase. Penggunaan metode sinkronisasi yang lebih kompleks, disertai kemampuan

sistem untuk mengkompensasi gangguan ketidakseimbangan dan sag pada sistem

21

tiga fase, dilakukan dengan menggunakan synchronous reference frame (SRF).

(Blaabjerg, 2006).

2.3 Metode Phase Locked Loop

Pada bidang elektronika daya yang berhubungan dengan sistem tenaga,

Phase Locked Loop dipakai untuk sinkronisasi antara pengendali konverter

elektronika daya dengan jala-jala. Pemakaian PLL lebih meluas lagi untuk aplikasi-

aplikasi pada bidang telekomunikasi. Phase Locked Loop adalah suatu sistem

kendali umpan balik negatif, yang secara otomatis akan menyesuaikan fasa dari

suatu sinyal yang dibangkitkan di sisi keluaran dengan suatu sinyal dari luar di sisi

masukannya, dengan kata lain, PLL akan menghasilkan sinyal keluaran dengan

frekuensi yang sama dengan sinyal masukan. Blok diagram dasar dari suatu PLL

ditunjukkan pada Gambar 2.10 berikut.

Gambar 2.10 Blok diagram dasar PLL

(Abramovitch, 2002)

Dari blok diagram tersebut, terlihat tiga buah blok utama penyusun PLL.

Masing-masing blok akan dipaparkan berikut.

1. Phase Detector (PD), merupakan suatu unit non-linear yang membandingkan

fasa keluaran PLL dengan fasa sinyal referensi. Keluaran PD adalah galat fasa

antara sinyal masukan dan keluaran.

2. Loop Filter (LF), umumnya adalah lowpass filter, berfungsi untuk meredam

sinyal frekuensi tinggi keluaran dari PD sehingga memberikan tegangan control dc

yang bagus ke bagian VCO. LF bias saja tidak dipakai dalam suatu PLL, ini akan

22

menghasilkan yang disebut PLL orde 1, namun secara konsep LF biasanya LF akan

dimasukkan karena PLL akan bekerja dengan baik akibat adanya proses lowpass

filter didalamnya. Pemilihan LF akan mempengaruhi dinamika dari PLL.

3. Voltage Controlled Oscillator (VCO), merupakan unit non-linear yang akan

membangkitkan suatu sinyal dimana frekuensinya ditentukan oleh besarnya

tegangan control di masukan VCO.

Secara garis besar, VCO akan menghasilkan sinyal yang frekuensinya

ditentukan dari bagian LF. Bagian LF mendapat masukan berupa galat fasa antara

sinyal masukan dengan sinyal keluaran PLL. Sehingga akan diperoleh sinyal

keluaran yang frekuensinya ‘terkunci’ terhadap sinyal referensi di bagian masukan.

2.4 ATS (Automatic Transfer Switch)

Menurut Bimo,dkk. (2007), ATS merupakan saklar otomatis untuk

memindahkan catu daya listrik dari sumber listrik PLN ke sumber listrik

pembangkit lain misalnya genset atau PLTS dan sebaliknya. Saklar otomatis yang

digunakan pada ATS berupa rele. Rele dikondisikan oleh mikrokontroller yang

telah deprogram sesuai dengan kondisi tertentu. ATS menerapkan suatu proses

pemindahan atau pengalihan sumber listrik yang satu ke sumber listrik yang lain

secara bergantian sesuai dengan perintah pemrograman. ATS adalah

pengembangan dari COS atau Charge Over Switch. Keduanya mempunyai

perbedaan yaitu terletak pada sistem kerjanya, untuk ATS kendali kerjanya

dilakukan secara otomatis, sedangkan COS dikendalikan dan dioperasikan secara

manual. ATS digunakan sebagai saklar otomatis untuk memindahkan sumber catu

daya listrik dari suatu sumber listrik ke sumber yang lain yang mensuplai beban

tertentu. Berikut ini contoh blok diagram sederhana dari ATS :

23

2.11 Contoh Blok diagram ATS

Pada sistem ini sumber PLN berperan sebagai sumber primer dan PLTS

sebagai sumber listrik sekunder. Pada rangkaian ATS diperlukan suatu detector

(sensor) tegangan sebagai pendeteksi ada atau tidak adanya tegangan pada sumber

listrik PLN, dan juga bisa berupa rangkaian pembagi tegangan yang menghasilkan

tegangan yang merepresentasikan sinyal masukan utama ke kontroler ATS.

2.4.1 Bagian pengalihan daya

Bagian ini berfungsi untuk proses pengalihan sumber daya listrik dari PLTS

atau genset ke PLN atau sebaliknya. Apabila suplai utama yaitu PLN mengalami

gangguan, maka ATS akan melakukan pengalihan suplai listrik ke PLTS. Keadaan

tersebut berlangsung sampai PLTS kembali memenui standar untuk mensuplai daya

listrik. Adapun instrumen penyusun bagian pengalihan daya ini dapat berupa circuit

breaker, kontaktor, dan menggunakan motor.

2.4.2 Bagian kontrol

Bagian kontrol berfungsi untuk mendeteksi gangguan atau kejadian

abnormal yang terjadi pada sistem. Apabila terjadi ganguan, maka bagian kontrol

ATS ini akan mendeteksi gangguan tersebut, dan memerintahkan bagian

pengalihan daya ATS untuk melakukan pengalihan suplai daya listrik. Instrumen

penyusun bagian ini adalah beberapa jenis relay yang mempunyai fungsinya

masing-masing sesuai dengan kebutuhan sistem. Adapun relay yang digunakan

yaitu :

1. Under Voltage Relay (UVR)

24

2. Over Current Relay (OCR)

3. Earth Fault Relay (EFR)

4. Phase Failure Relay (PFR)

Instrumen kontrol lainnya pada ATS dapat berupa voltmeter, amperemeter,

kWh meter, power faktor meter, frekuensi meter, tombol ON/OFF, dan lampu

indikator. Semua instrumen kontrol tersebut harus mempunyai kualitas baik dan

sesuai dengan standar yang berlaku. Adapun instrumen penyusun ATS lainnya

adalah :

1. Kabel yang digunakan untuk menghubungkan sumber listrik dari PLTS dan PLN

ke ATS.

2. Busbar untuk menghubungkan ATS dengan LVMDP (Low Voltage Main

Distribution Panel).

2.5 Rangkaian Listrik AC Satu Fasa

Menurut Lister (1988), pada umumnya besaran listrik yang digunakan di

hampir semua negara dibangkitkan dan didistribusikan dalam besaran listrik bolak-

balik (AC). Hal tersebut disebabkan oleh nilai besaran listrik AC dapat dengan

mudah dinaikkan maupun diturunkan, sehingga dapat dibangkitkan dan

didistribusikan secara efisien pada tegangan yang relatif tinggi dan kemudian

diturunkan sampai tegangan yang dapat digunakan pada beban.

Tegangan dan arus AC memiliki nilai efektif atau RMS (Root Mean Square)

yang merupakan nilai yang dianggap setara dengan arus atau tegangan searah,

dimana nilai ini yang biasanya terukur di alat ukur ampere atau volt meter. Berikut

ini rumus nilai efektif tegangan dan arus AC :

peak

peak

rms VV

V 707,02 .. …………………………(2.2)

peak

peak

rms II

I 707,02

……………..………….....(2.3)

25

Dengan Vrms adalah tegangan efektif dalam Volt, Irms adalah arus efektif dalam

Amper, Vpeak adalah tegangan puncak dalam Volt, dan Ipeak adalah arus puncak

dalam Amper.

Saat potensial DC dikenakan pada tahanan, besarnya arus yang mengalir

sesuai dengan hokum ohm, berbanding lurus dengan tegangannya. Makin besar

tegangan, makin besar arus. Demikian halnya jika tegangan AC dikenakan pada

tahanan, nilai tegangan berbanding lurus dengan arusnya. Berikut ini rumusnya :

RIVatauR

VI rmsrms

rmsrms , ………………..……..(2.4)

Dengan R adalah resistansi dalam ohm.

Apabila pada suatu rangkaian terdapat komponen induktor atau kapasitor,

maka perlu dihitung reaktansinya untuk menghitung arus atau tegangan. Berikut ini

perumusannya :

CfCXC

2

11……………………...…………(2.5)

LfLX L 2 …………………………………..(2.6)

XIVatauX

VI , ………...………………………(2.7)

Dengan XC adalah reaktansi kapasitif dalam ohm, w adalah kecepatan sudut dalam

rad/detik, C adalah kapasitansi dalam Farad, f adalah frekuensi dalam Hertz, XL

adalah reaktansi induktif dalam ohm, L adalah induktansi dalam Henry, I adalah

arus efektif dalam Amper, dan V adalah tegangan efektif dalam Volt.

Frekuensi dalam listrik AC merupakan banyaknya gelombang penuh yang

terjadi dalam satu detik, rumusnya adalah sebagai berikut :

t

nf …………………………………………(2.8)

Dengan f adalah frekuensi dalam Hertz, n adalah banyaknya gelombang penuh yang

terjadi, dan t adalah waktu dalam detik. Jika waktu yang diperlukan oleh satu

gelombang disebut periode (T) maka frekuensinya adalah :

Tf

1 ………………………………………....(2.9)

Dengan T adalah periode dalam satuan detik.

26

Daya pada rangkaian AC merupakan daya rata-rata pada rangkaian listrik tersebut,

sebab dalam rangkaian AC daya yang ada setiap saat berubah sesuai dengan waktu.

Berikut ini hubungan antar daya yang ditunjukkan dengan segitiga daya :

Gambar 2.12 Segitiga Daya

Gambar 2.12 menunjukkan hubungan antara daya pada sistem tenaga listrik, yang

pada umumnya terdiri dari daya nyata (S), daya aktif (P), dan daya reaktif (Q).

Berikut ini merupakan perumusan yang berkaitan dengan daya listrik :

22 QPS …………………………………(2.10)

22 QSP …………………………………..(2.11)

22 PSQ ….……..…………………………(2.12)

IVS ….……………………………………..(2.13)

cos IVP ………………………………….(2.14)

RIP 2…………………………………...…..(2.15)

sin IVQ ………….....……………………(2.16)

XVQ

2

…………………….………………..(2.17)

XVI ………………………………………...(2.18)

XIQ 2 ……………………....……………….(2.19)

Dengan S adalah daya nyata dalam VA, P adalah daya aktif dalam Watt, Q adalah

daya reaktif dalam VAR, V adalah tegangan dalam Volt, I adalah arus dalam

Amper, cos adalah faktor daya, R adalah resistansi dalam Ohm dan X adalah

reaktansi dalam Ohm.

27

2.6 Kualitas Daya Listrik

Menurut Mulyana (2008), Kualitas daya listrik sudah hangat dibicarakan di

Amerika sejak awal tahun 90-an dan hasil dari riset selama hampir 5 (lima) tahun

(1990 s.d. 1995) oleh US National Power Laboratory (Division of Best Power

Technology, Wisconsin) menunjukkan bahwa pengganggu atau perusak perangkat

akibat masalah tegangan tercatat hampir 50 gangguan per bulan. Secara umum, di

Indonesia masalah kualitas daya belum sampai menjadi perhatian secara nasional

dan detail, beberapa hal memang sudah cukup diperhatikan dari pengguna namun

masih dalam kaitan tegangan rendah atau tidak stabil atau pemadaman listrik.

Padahal kualitas daya listrik bukan hanya masalah tegangan saja atau terputusnya

catuan tetapi menyangkut karakteristik parameter kelistrikannya seperti arus dan

frekuensi dan kaitannya dengan harmonisa, arus bocor, tegangan transien, sag/dips,

surge, swell, ripple, noise, dan lain sebagainya yang dapat merusakan peralatan dan

mengurangi umur perangkat/device.

Sebelum era elektronika modern, sumber daya listrik dimaksudkan untuk

memberikan energi listrik pada beban lampu pijar, pemanas, penyearah dengan

dioda, dan sebagainya. Beban tersebut tidak mempengaruhi karakteristik pada

tegangan, arus, frekuensi, dan bentuk gelombang, artinya bentuk tidak berubah

(tetap) maka beban demikian disebut beban linier. Seiring dengan perkembangan

teknologi elektronika, teknologi sistem konversi dan kontrol, beban-beban sumber

daya listrik ternyata ada yang mempengaruhi karakteristik pada tegangan, arus,

frekuensi dan bentuk gelombang, artinya bentuk berubah atau cacat; beban seperti

ini disebut beban non linier. Harmonisa merupakan cacat gelombang yang

disebabkan oleh interaksi antara gelombang sinusoidal sistem dengan komponen

gelombang lain yang mempunyai frekuensi kelipatan integer dari komponen

fundamentalnya. Fenomena ini terjadi akibat dioperasikannya beban listrik

nonlinier yang merupakan beban listrik yang memiliki sifat menyimpang dari

hukum ohm. Dimana tegangan, arus, dan hambatan/impedansi tidak sebanding,

artinya respon tegangan yang diberikan pada beban tidak sebanding dengan arus

beban yang muncul, seperti unit komputer, printer, scanner, disebut juga sebagai

sumber harmonisa. Beban linier merupakan kebalikan dari beban non-lionier,

28

dimana respon tegangan yang diberikan pada beban sebanding dengan arus yang

dihasilkan. Harmonisa tegangan atau arus diukur dari besarnya masing-masing

komponen harmonik terhadap komponen dasarnya dinyatakan dalam persen.

Derajat kandungan total distorsi harmonisa dinyatakan dalam Total Harmonic

Distortion (THD). Berikut ini adalah standar THD tegangan dan arus dari IEEE

Standard 519-1992 :

Tabel 2.3 Standar THD Tegangan dan Arus dari IEEE Standard 519-1992

Sumber : (Mulyana, 2008)

Menurut Sastra Kusuma Wijaya, salah satu cara untuk mengurangi

harmonisa adalah dengan menggunakan filter frekuensi berjenis filter pasif. Filter

frekuensi akan menyaring frekuensi sehingga hanya mendapatkan frekuensi yang

kita inginkan. Filter frekuensi sendiri dibagi menjadi dua, yaitu filter aktif dan filter

pasif. Filter aktif disini adalah rangkaian filter dengan menggunakan komponen-

komponen elektronik pasif dan aktif seperti operational amplifier (OP-AMP),

transistor, dan komponen lainnya. Filter pasif adalah rangkaian filter yang

menggunakan komponen-komponen pasif saja, dimana komponen pasif itu adalah

resistor, kpasitor dan induktor. Perbedaan dari komponen aktif dan pasif adalah

pada komponen aktif dibutuhkan sumber agar

dapat bekerja (op-amp dan transistor membutuhkan sumber lagi agar dapat

bekerja/digunakan), sedangkan komponen pasif tidak membutuhkan sumber lagi

untuk digunakan/bekerja.

29

Pada filter ada yang disebut frekuensi cut off, yang merupakan frekuensi

yang menjadi batas untuk melewatkan atau menghalangi sinyal masukan yang

mempunyai frekuensi yang lebih tinggi maupun frekuensi yang lebih rendah dari

frekuensi cut off. Fiter pasif sebagai filter harmonisa berfungsi untuk mengurangi

amplitude satu atau lebih frekuensi tertentu dari sebuah tegangan atau arus. Pada

frekuensi fundamental dapat mengkompensasi daya reaktif dan memperbaiki faktor

daya system serta juga digunakan sebagai alat pengambilan harmonisa yang

ditimbulkan oleh inverter. Berikut ini jenis-jenis filter pasif :

1. LPF (Low Pass Filter) yaitu filter yang hanya melewatkan frekuensi rendah,

yaitu frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi cut off. Komponen pasif yang

digunakan untuk membangun LPF adalah resistor dan induktor atau resistor dan

kapasitor.

2. HPF (High Pass Filter) yaitu filter yang hanya melewatkan frekuensi tinggi,

yaitu frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi cut off. Sama halnya pada low

pass filter, komponen pasif yang digunakan adalah resistor dan inductor atau

resistor dan kapasitor.

3. BPF (Band Pass Filter) yaitu filter yang melewatkan frekuensi tertentu dan tidak

melewatkan frekuensi lain. Filter ini hanya melewatkan frekuensi pada rentang

tertentu dan tidak melewatkan frekuensi di luar rentang tersebut. Filter ini

dibangun dengan mengkombinasikan LPF dan HPF, sehingga pada umumnya

filter ini menggunakan komponen pasif berupa resistor, induktor dan kapasitor.

4. BRF (Band Reject Filter) yaitu filter yang memilih frekuensi tertentu untuk tidak

dilewatkan dan melewatkan frekuensi yang lain (kebalikan dari BPF).

5. APF (All Pass Filter) yaitu filter yang melewatkan semua frekuensi, fungsi filter

ini hanya merubah fase dari input.

Berikut ini adalah respon untuk filter pada kondisi ideal, saat melewati frekuensi

cut off sinyal langsung hilang.

30

Gambar 2.13 Respon Filter Kondisi Ideal

Sumber : (Wijaya, t.t)