## Desain Solar Power Inverter pada Sistem Photovoltaic
Harmini 1) , danTitik Nurhayati 2)
1, 2) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Semarang, Semarang Indonesia 50196 Jl. Soekarno Hatta Tlogosari, Semarang
Telp (024)6702757 e-mail: harmini@usm.ac.id 1) , ttknur@usm.ac.id 2)

## ABSTRACT
Solar power inverter is one of the main components in the PLTS system in order to produce the power or energy needed by the load. Solar power inverter is used to convert from DC energy (Direct Current) to AC (Alternating Current) to load. In this research a simulation of a solar power inverter system on a photovoltaic system will be designed. Simulation is done using SIMULINK-MATLAB software. Solar power inverter is designed using a boost converter as a controller and a Full-Bridge Inverter. Boost Converter is designed from 12VDC - 17 VDC to 300 VDC. Full Bridge Inverter produces AC voltage of 240 VAC  with  modulation  index 0.8  and  frequency  60  Hz.  Total  Harmonic  Distortion  is  46.07%.  Power  of  Photovoltaic Solar panels generated at 3500 Watts at 1000 Watt / m2 irradiation conditions and temperature temperatures of 25 degrees Celsius.
Keywords : Boost Converter, Inverter, Solar Power

## ABSTRAK
Solar power inverter merupakan salah satu komponen utama pada sistem PLTS agar dapat menghasilkan daya atau energi yang diperlukan oleh beban. Solar power inverter digunakan untuk mengubah dari energy listrik DC ( Direct Current ) menjadi energy  listrik  AC  ( Alternating  Current )  ke  beban.  Pada  penelitian  ini  akan  dirancang  sebuah  simulasi  sistem solar  power inverter pada sistem photovoltaic . Simulasi dilakukan dengan menggunakan software SIMULINK-MATLAB. Solar power inverter dirancang  dengan  menggunakan boost  converter sebagai  pengendali  dan Full-Bridge  Inverter . Boost  Converter dirancang  dari  tegangan  12VDC  –  17  VDC  menjadi  tegangan  300  VDC. Full  Bridge  Inverter menghasilkan  tegangan  AC sebesar 240 VAC dengan indek modulasi 0.8 dan frekuensi 60 Hz. Total Harmonic Distortion sebesar 46.07 %. Daya panel Solar Photovoltaic yang dibangkitkan sebesar 3500 Watt pada kondisi irradiasi 1000 Watt/m 2 dan suhu temperature sebesar 25 derajat celcius
Kata Kunci: Boost Converter, Inverter, Solar Power

## I. P ENDAHULUAN
nergi  listrik  yang  dihasilkan  oleh  sistem Photovoltaic  membutuhkan  sebuah  sistem pengendali  dan  sebuah  inverter  yang  disebut dengan  solar  power  inverter  untuk  dapat menghasilkan arus listrik yang dibutuhkan oleh beban- beban  listrik  rumah  tangga  yaitu  beban  listrik  AC ( Alternating  Current ).  Sistem  pengendali  diperlukan supaya  energi  yang  dihasilkan  bisa  menyesuaikan energi  yang  dibutuhkan  beban,  karena  energi  listrik yang  dihasilkan  oleh  matahari  selalu  berubah-ubah sesuai  kondisi  radiasi  dan  temperatur  sinar  mahatari. Solar  power  inverter  merupakan  salah  satu  komponen utama pada sistem PLTS agar dapat menghasilkan daya atau  energi  yang  diperlukan  oleh  beban.  Solar  power inverter digunakan untuk mengubah dari energy listrik DC  ( Direct  Current )  menjadi  energy  listrik  AC ( Alternating  Current )  ke  beban[1].  Hal  tersebut  yang menjadikan solar power inverter dan sistem pengendali merupakan hal yang sangat penting dalam sistem PLTS. Pada  penelitian  ini  akan  dirancang  sebuah  simulasi sistem  solar  power  inverter  pada  sistem  photovoltaic. Simulasi  dilakukan  dengan  menggunakan  software SIMULINK-MATLAB. Solar power inverter yang akan dirancang  memiliki  fiture  pure-sine  dan  memiliki
regulasi  output  yang  baik  sesuai  dengan  input  dari inverter. Solar power inverter dirancang menggunakan boost  converter  sebagai  pengendali  dan  Full-bridge Inverter.  Hasil  simulasi  yang  dibuat  nantinya  akan diterapkan pada hardware yang sebenarnya. Perumusan masalah  pada  penelitian  ini  adalah  bagaimana merancang  dan  mensimulasikan  sebuah  solar  power inverter pada sistem Photovoltaic. Tujuan penelitian ini adalah  untuk  merancang  dan  mensimulasikan  solar power inverter pada sistem photovoltaic, yang nantikan akan  dijadikan  acuan  untuk  membuat  hardware  yang sebenarnya.

## II. SOLAR POWER INVERTER

## A. Panel Solar Photovoltaic
Panel  SPV  terdiri  dari  beberapa  sel  yang  terhubung secara  seri  untuk  meningkatkan  nilai  tegangan  yang dihasilkan dan terhubung parallel jika untuk meningkatkan  nilai  arus  yang  hasilkan.  Tegangan nominal  dari  sistem  PV  harus  sesuai  dengan  tegangan yang dibutuhkan oleh sistem penyimpanan[2]. Generator photovoltaic digunakan untuk menghasilkan daya  yang  dibutuhkan  oleh  beban,  seperti  ditunjukkan pada gambar 1 [2]. Panel SPV terdiri dari 2 jenis yaitu monocrystalin dan Polycrystalin.  Monocrystalin dibuat
E
dari silicon kristal yang besar. Panel ini sangat effisien untuk  mengkonversikan  sinar  matahari  menjadi  energi listrik  dengan  effisiensi  mencapai  18%[3].  panel  SPV monocrystalin  memiliki  harga  yang  lebih  mahal  dari pada  polycristalin.  Sedangkan  panel  polycristalin memiliki  effisiensi  sebesar  13%  saampai  dengan 15%[3].
Gambar 1 Rangkaian ekivalen sel surya[4]

## B. Inverter
Inverter  digunakan  untuk  mengkonversi  energi listrik dari baterai atau panel SPV menjadi tegangan AC yang dapat terhubung dengan jaringan PLN atau beban- beban AC. Ada tiga jenis inverter yaitu stand alone in- verter  adalah  inverter  yang  tidak  terhubung  dengan jaringan  PLN,  Grid  Tie  inverter  adalah  inverter  yang dapat terhubung  dengan  grid  PLN  dan  didesain  secara otomatis untuk menghubungkan atau memutuskan jarin- gan, dan battery backup inverter adalah kombinasi dari kedua tipe inverter[6][7]. Conditioning daya dan sistem kendali  dilakukan  oleh  inverter  yang  mengubah  arus searah  (DC-Direct  Current)  menjadi  bolak  balik  (AC- Alternating Current) saat ini dan kontrol kualitas output daya untuk dikirimkan ke  grid, juga dengan cara filter LC dalam inverter itu sendiri[8]. Prinsip kerja inverter satu fasa ditunjukkan pada gambar 2 .skema inverter.
Gambar 2. Skema Prinsip Inverter Satu Fasa[8]

## C. Boost Converter
Boost  converter  ditunjukkan  pada  Gambar  3  dapat disebut dengan step-up converter [5]. Prinsip kerja dari boost  converter  adalah  menaikkan  tegangan  masukan yang rendah menjadi tegangan keluaran yang tinggi.
Gambar 3. Boost Converter[5]
Pada saat saklar S on, arus pada induktor meningkat secara linier kemudian dioda mati, sedangkan pada saat saklar S off, energi disimpan didalam induktor melalui dioda  kerangkaian R dan C .  Dengan  menggunakan hukum  Faraday didapatkan  hubungan  antara  tegangan masukan,  tegangan  keluaran  dan duty  cycle seperti ditunjukkan pada Persamaan 1 dan 2.
𝑉 𝑖 𝐷𝑇 = (𝑉 𝑜 − 𝑉 𝑖 )(1 − 𝐷)𝑇 (1) 𝑉 𝑜 𝑉 𝑖 = 1 1 − 𝐷 (2)
Prinsip dari CCM boost converter sebagai berikut: 1. Pada  saat t =0  sampai t = D ,  saklar  tertutup  dan dioda  dibias  mundur  ( Reverse  bias )  yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4. Boost Converter saat saklar ditutup[5]
𝑉 𝐿 = 𝑉 𝑖 = 𝐿 𝑑𝑖 𝑙 𝑑𝑡 ∆𝑖 𝑙 ∆𝑡 = ∆𝑖 𝑙 𝐷𝑇 = 𝑉 𝑖 𝐿 (∆𝑖 𝑙 )𝑐𝑙𝑜𝑠𝑒𝑑 = 𝑉 𝑖𝑛 x𝐷𝑇 𝐿 (3)
2. Pada saat t=(1-D)T , dioda dibias maju (forward bias) dan  saklar  terbuka  seperti  ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Boost Converter saat saklar dibuka[5].
Tegangan  dan  arus  induktor  ditentukan  berdasarkan Persamaan 4.
𝑽 𝑳 = 𝑽 𝒊 − 𝑽 𝒐 = 𝑳 𝒅𝒊 𝒅𝒕 ∆𝒊 𝑳 𝒅𝒕 = 𝑽 𝒊 − 𝑽 𝒐 𝑳
∆𝒊 𝑳
(𝟏 − 𝑫𝑻) = 𝑽 𝒊𝒏 − 𝑽 𝒐 𝑳
(∆𝒊 𝑳 )𝒐𝒑𝒆𝒏 = (𝑽 𝒊𝒏 − 𝑽 𝒐 )(𝟏 − 𝑫)𝑻 𝑳 (4)
3. Untuk kondisi steady state diasumsikan bahwa arus  induktor  pada  siklus  akhir  pensaklaran akan  sama  dengan  siklus  awal  pensaklaran seperti ditunjukkan pada Persamaan 5 (∆𝑖 𝐿 )𝑜𝑝𝑒𝑛 + (∆𝑖 𝐿 )𝑐𝑙𝑜𝑠𝑒𝑑 = 0
𝑉 𝑖 = (1 − 𝐷)𝑉 𝑜 (5)
4. Untuk  menentukan  besarnya  filter  induktansi dan  filter  kapasitansi  dengan  menggunakan Persamaan 6 dan 7.
𝐿 = (1 − 𝐷) 2 𝐷𝑥𝑅 2𝑓 (6)
𝐶 𝑚𝑖𝑛 = 𝐷𝑉 𝑜 ∆𝑉 𝑜 𝑅𝑓 (7)

## III. METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilaksanakan dalam kurun waktu satu semester (6 bulan) dengan membagi dalam dua tahapan yaitu  tahap  persiapan,  tahap  kedua  yaitu  tahap perencanaan. Lokasi penelitian adalah di Laboratorium Konversi  Energi  Listrik,  Teknik  Elektro,  Fakultas Teknik.

## A. Model  dan Rancangan Penelitian
Model  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah perancangan dan pemodelan sistem solar power inverter pada sistem photovoltaic. Proses perencanaan berdasar- kan pada skema yang ditunjukkan pada Gambar 6 dan Gambar 7.
TAHAP PERSIAPAN Studi Pustaka Merancang Boost Converter Merancang Solar Power Inverter Simulasi Boost Converter Simulasi Inverter TAHAP SIMULASI Sistem Solar Power Inverter Hasil Penelitian: (1) Bahan  ajar perancangan dan pemodelan Solar Power Inverter
(2) jurnal elektrika – Teknik Elektro USM
T ah ap I T ah ap I I Merancang Inverter
Gambar 6 Blok diagram solar power inverter
Gambar 7  Blok Diagram Solar Power Inverter
Rangkaian Full-Bridge pada penelitian ini menggunakan  4  buah  IGBT  atau  transistor  yaitu  pada S1, S2, S3 dan S4 serta menggunakan dioda snubber an- tiparalel  yang  berlawanan  arah    pada  D1,  D2,  D3  dan D4.
Transistor  pada  S1  dan  S2  harus  saling  berkebalikan agar tidak terjadi hubung singkat, jika S1 ON maka S2 harus  OFF  ,  sehingga  terjadi  kombinasi  pensaklaran transistor pada kondisi ON dan OFF adalah sebagai beri- kut:
1. S1 ON dan S4 ON maka beban akan dikenai te- gangan keluaran  + Vo
2. S2 ON dan S3 ON maka beban akan dikenai te- gangan keluaran  –Vo
3. S1 ON dan  S3 ON maka beban dikenai tegan- gan nol (Vo = 0)
4. S2 ON dan S4 ON maka beban akan dikenai te- gangan nol (Vo=0)
Kombinasi no 1 dan no 2 yang digunakan untuk men- gubah  tegangan  DC  menjadi  tegangan  AC.  Sinyal  S1, S2, S3 dan S4 dikendalikan oleh PWM dengan setting frekuensi  sebesar  1080  Hz.  Parameter  penting  dalam pengaturan PWM adalah nilai index modulasi dan frek- uensi tegangan keluaran yang digunakan untuk menga- tur frekuensi tegangan keluaran AC

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Perancangan  Solar  Power  Inverter  yang  terdiri  dari Boost Converter dan perancangan Full-Bridge Inverter. Tegangan  yang  dikeluarkan  oleh  Solar  Panel Photovoltaic sebesar 12 – 17 Volt DC, tegangan ini akan dinaikkan  oleh  DC-DC  Converter  dengan  topology Boost  Converter  sebesar  300  Volt  DC,  selanjutnya tegangan  tersebut  akan  diubah  menjadi  tegangan  AC sebesar  220  frekuensi  50Hz    sesuai  dengan  kebutuhan beban  yang  digunakan  untuk  peralatan  rumah  tangga. Secara  umum  blok  diagram  perancangan  ditunjukkan pada gambar 8.
Panel SPV 12-17 VDC DC-DC Converter Boost Converter 300 VDC H-Bridge 220-240 VAC Beban AC
220-240 VAC VDC IDC Pin VDC IDC VAC IAC Pout
Gambar 8. Blok diagram Solar Power Inverter

## A. Rangkaian Boost Converter
Perancangan boost converter pada penelitian ini adalah tegangan input 12  – 17 Volt DC hasil keluaran dari  panel  solar  photovoltaic  akan  dinaikan  menjadi tegangan  300  Volt  DC  dan  arus  8A  sebagai  tegangan dan  arus  masukan  pada  Inverter. Frekuensi  switching yang digunakan pada PWM ( Pulse Width Modulation ) adalah  1080  Hz.  Perancangan  dan  hasil  keluaran rangkaian boost converter ditunjukkan pada Gambar 9 dan Gambar 10.
a. Menentukan nilai duty cycle 𝑉 𝑜 𝑉 𝑖 = 1 1 − 𝐷 300 12 = 1 1 − 𝐷 𝐷 = 1 − 12 300 𝐷 = 0.96

## b. Menghitung nilai R
𝐿𝑜𝑎𝑑 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒(𝑅)   = 𝑉𝑜 𝐼𝑜
𝐿𝑜𝑎𝑑 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 (𝑅)   = 300𝑉
8𝐴 𝐿𝑜𝑎𝑑 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 (𝑅)   =  37,5 𝑂ℎ𝑚
c. Menghitung nilai Induktor
𝐿 = (1 − 𝐷) 2 𝐷𝑥𝑅 2𝑓 𝐿 = (1 − 0,96) 2 0,96𝑥37,5
2𝑥1080

## 𝐿 =  26 𝑚𝑖𝑘𝑟𝑜𝐻𝑒𝑛𝑟𝑦
Nilai  induktor  yang  terpasang  pada  rangkaian adalah  1,25  kali  lebih  besar  dari  nilai perhitungan, sehingga nilai induktor adalah 1,25 x 26 mikroHenry yaitu 32,5 mikroHenry.
d. Menghitung nilai Capasitor
𝐶 𝑚𝑖𝑛 = 𝐷𝑉 𝑜 ∆𝑉 𝑜 𝑅𝑓
𝐶 𝑚𝑖𝑛 = 0,96 𝑥 300
0,001 𝑥 37,5 𝑥 1080
𝐶 𝑚𝑖𝑛 = 0,071 𝐹𝑎𝑟𝑎𝑑
Gambar 9. Simulasi Boost Converter
Gambar 10. Hasil Boost Converter
Berdasarkan  Gambar  5.4  terlihat  arus  beban  yang hasilkan  oleh  rangkaian boost  converter dapat menghasilkan  arus  beban  sebesar  160  Ampere  dan Tegangan  keluaran  sebesar  300  Volt  DC.  Tegangan keluaran Boost  Converter ini  akan  menjadi  tegangan input Full-Bridge Inverter .

## B. Perancangan Full Bridge Inverter
Simulasi perancangan Full-Bridge Inverter ditunjuk- kan  pada  Gambar  11,  simulasi  dilakukan  dengan menggunakan  IGBT.  Masing-masing  IGBT  di  trigger oleh sinyal PWM dengan frekuensi switching 1080 Hz, indek modulasi sebesar 0.8 dan frekuensi AC adalah 60 Hz.

## Gambar 11. Simulasi Full Bridge Inverter
Tegangan fundamental yang dihasilkan oleh inverter adalah  besarnya  indek  modulasi  dikalikan  dengan  te- gangan  puncak  masukan  dari  inverter,  yaitu  0.8  dikali
300  VDC  sama  dengan  240  VAC.  Hasil  simulasi  in- verter  ditunjukkan  pada  gambar  12,  yaitu  berupa  arus pada beban dan tegangan full bridge inverter. Pada gam- bar terlihat arus beban sudah membentuk gelombang si- nus, tetapi sinyal sinus yang dihasilkan masih mengan- dung ripple atau noise, hal ini disebabkan karena beban yang  digunakan  tidak  hanya  beban  resistif  tetapi  juga beban  induktif.    Sedangkan,  tegangan  keluaran  masih berupa pulsa gelombang persegi atau square wave. Hal ini terjadi karena inverter masih menghasilkan tegangan keluaran dengan banyak frekuensi, sehingga diperlukan filter untuk memperlihatkan tegangan keluaran dengan frekuensi yang dikehendaki.
Gambar 12. Gelombang Arus beban dan Tegangan Full Bridge In- verter
Analisa tegangan keluaran inverter dilihat dari ana- lisa THD (Total Harmonic Distortion) yang ditunjukkan pada  gambar  13.    Dari  gambar  tersebut  terlihat  terjadi distorsi  atau  kerusakan  gelombang  keluaran  inverter dengan  gelombang  sinyal  fundamentalnya  sebesar 46,07%. Hal ini berarti ripple yang terjadi sangat besar, sehingga diperlukan filter supaya menekan nilai ripple atau kerusakan sinyal gelombang output inverter.
Gambar 13 Analisa THD ( Total Harmonic Distortion )

## C. Rangkaian Solar Power Inverter
Spesifikasi panel surya yang gunakan adalah:
Pmp  = 249,86 W
Voc  = 37,6 V Vmp   = 31 Isc   = 8,55 A Imp   = 8,06 A Daya total yang bisa dibangkitkan mencapai 3498,04 Watt  atau  3500  Watt  pada  kondisi  irradiasi  1000 Watt/m2  dan  temperatur  STC  (Standart  Temperature Condition)  sebesar  25  derajat  celcius,  dengan  jumlah panel  SPV  14  unit  dengan  rangkaian  1  paralel  dan  14 seri.
Rangkaian  keseluruhan  simulasi  Solar  Power Inverter ditunjukkan pada gambar 14.

## Gambar 14 Rangkaian keseluruhan Solar Power Inverter

## III. K ESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat  diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Sistem  Solar  Power  Inverter  terdiri  dari  sistem Boost Converter dan Full Bridge Inverter.
2. Boost Converter dirancang dari tegangan 12VDC – 17 VDC menjadi tegangan 300 VDC
3. Full  Bridge  Inverter  menghasilkan  tegangan  AC sebesar 240 VAC dengan indek modulasi 0.8 dan frekuensi 60 Hz.
4. Total Harmonic Distortion sebesar 46.07 %
5. Daya  panel  Solar  Photovoltaic  yang  dibangkitkan sebesar  3500  Watt  pada  kondisi  irradiasi  1000
Watt/m2  dan suhu  temperature  sebesar  25  derajat celcius.

## D AFTAR P USTAKA
[1] C.R  Sanchez  Reinoso,  M.de  Paula  (2012).
Photovoltaic Inverter Optimisation . 2nd
International  Conference  on  Advances  in  Energy Engineering ,
[2] ABB, (2010). Technical Application Papers No 10: Photovoltaic Plants, No 116, ABB,
[3] Joachim  Seel  G.B.,  R.  Wiser,(2010). Why  Are Residential PV Prices in Germany So Much Lower Than in the United States? Environmental Energy
[4] Jain,Sachin,(2007).  A  Single  stage  grid  connected inverter  topology  for  solar  PV  system  with maximum power point tracking, IEEE Transactions on power electronics, vol 22 no 5
[5] Dariusz  Czarkowski,  2001,  ” DC-DC  Converter  in Power  Electronic  Handbook ”  Editing  by  Ra- shid,Muhammad  H,  University  of  Florida,  chapter 13
[6] Ho,  B.M.T.,  Chung,  H.S-H,(2005). An  Integrated Inverter With Maximum Power Point Tracking For Grid-Connected PV system. IEEE Trans Power Elec- tron, pp..953-962, China.
[7] Jaysing,  Kshirsagar,(2017).  One  cycle  controlled single phase inverter for grid connected PV system, Advance in Electronic and Electric Engineering.
[8] .N.Prabaharan, A.Rini Ann Jerin (2017). Integration of  Single  Phase  Reduced  switch  multilevel  inverter topology  for  grid  connected  photovoltaic  system . International  conference  on  Alternative  energy  in developing countries and emerging economies .