Penggunaan sumber energi terbarukan, seperti fotovoltaik, tenaga angin, dan tenaga air, telah meningkat secara signifikan dalam beberapa tahun terakhir seiring dengan target emisi nol bersih pada tahun 2050. Di antara sumber-sumber tersebut, fotovoltaik (PV) merupakan teknologi yang berkembang paling pesat. Selain itu, efisiensi modul PV yang tersedia secara komersial, terutama yang menggunakan teknologi silikon monokristalin dan polikristalin, terus meningkat hingga kisaran yang umum diamati, yaitu 20% sampai 25% dalam beberapa tahun terakhir. Meskipun penelitian skala laboratorium telah mencapai efisiensi lebih dari 45% dengan menggunakan struktur sel multi-sambungan dan tandem yang canggih, kisaran 20% sampai 25% merupakan tolok ukur yang relevan untuk integrasi skala besar ke dalam sistem tenaga listrik. Efisiensi yang tinggi dan terus meningkat ini menjadikan teknologi PV semakin diminati oleh para peneliti maupun industri.
Namun, tegangan dan arus keluaran PV berfluktuasi bergantung pada sumber daya surya. Pada umumnya, panel PV diintegrasikan ke dalam sistem tenaga melalui konfigurasi konversi daya dua tahap sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1, yang terdiri atas konverter penaik tegangan DC-DC dan inverter sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1(a). Konfigurasi ini memungkinkan transfer energi yang efisien dari panel PV ke jaringan listrik. Konverter penaik tegangan DC-DC, seperti pelacak titik daya maksimum (maximum power point tracking / MPPT), mengoptimalkan keluaran tegangan dari panel sehingga ekstraksi daya maksimum dapat dicapai pada kondisi penyinaran matahari yang berubah-ubah. Selanjutnya, inverter mengubah keluaran DC menjadi AC yang kompatibel dengan jaringan listrik. Topologi inverter konvensional, seperti voltage source inverter (VSI) dan current source inverter (CSI), umumnya memerlukan dua perangkat pensakelaran pada setiap sel inverter. Sistem konversi dua tahap ini berperan penting dalam mendukung integrasi energi surya ke dalam infrastruktur kelistrikan yang telah ada, sekaligus mendorong pemanfaatan energi terbarukan dan menjaga stabilitas jaringan.
MPPT digunakan untuk mengendalikan sumber daya yang berfluktuasi agar ekstraksi energi dari PV dapat dimaksimalkan. MPPT menyesuaikan karakteristik beban untuk mempertahankan perpindahan daya pada efisiensi tertinggi dengan cara mengambil sampel keluaran sel dan menerapkan beban yang sesuai untuk memperoleh daya maksimum. Topologi MPPT yang menggunakan konverter DC-DC, seperti buck, boost, buck-boost, dan Cuk converter, banyak digunakan di industri karena sistem kendali dan teknologinya lebih sesuai untuk kebutuhan industri. Kelemahan MPPT konvensional ini adalah topologinya hanya mampu mengonversi tingkat daya sebesar 30% sampai 40%. Untuk mengatasi permasalahan tersebut, para peneliti mengembangkan topologi konverter DC-DC dan teknik baru dengan menggunakan high boost converter.
Dalam penelitian ini, dikaji suatu sistem tenaga PV yang berbasis single-phase quasi-Z-source inverter (qZSI) yang terintegrasi dengan konverter dua arah. Rangkaian kombinasi antara APF dan qZSI ditunjukkan pada Gambar 1. Kombinasi ini mampu mengatasi keterbatasan qZSI, seperti keluaran yang tidak sinusoidal, riak common mode yang tinggi, serta keterbatasan topologi sebelumnya, yaitu tegangan keluaran yang lebih rendah daripada tegangan masukan dan kebutuhan akan konverter DC-DC tambahan. BC-qZSI menghasilkan keluaran sinusoidal murni, common mode voltage (CMV) yang rendah, tegangan keluaran yang lebih tinggi dibandingkan tegangan masukan, serta konversi satu tahap
Hasil dan Pembahasan
Untuk memberikan analisis matematis terhadap inverter yang diusulkan, simulasi BC-qZSI dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak PSIM. Parameter simulasi BC-qZSI ditunjukkan pada Tabel 1. Kapasitor, induktor, dioda, dan sakelar diasumsikan memiliki komponen parasitik, seperti equivalent series resistance (ESR) pada kapasitor dan induktor, tegangan maju dioda, resistansi dioda, serta resistansi saat aktif (on-resistance) pada sakelar, guna mendekati kondisi nyata. Komponen parasitik pada dioda mengacu pada MSC010SDA070K dan pada sakelar mengacu pada STB10LN80K5 sebagaimana ditampilkan pada Tabel 1.
Keluaran inverter adalah 261,7 Vp, yang setara dengan sekitar 185 . Penurunan tegangan terjadi akibat adanya komponen parasitik pada topologi yang diusulkan. Gambar 2 menyajikan hasil simulasi berupa tegangan keluaran, arus induktor, dan tegangan kapasitor pada BC-qZSI. Gambar 2(a)(c) menunjukkan tegangan keluaran, arus induktor, dan tegangan kapasitor pada sisi qZSI. Adapun Gambar 2(d)(f) menunjukkan tegangan keluaran, arus induktor, dan tegangan kapasitor pada sisi inverter, dengan BC berfungsi sebagai kaki inverter.
Gambar 2(a) menunjukkan tegangan keluaran qZSI dengan indeks modulasi sebesar 0,6 dan rasio tugas shoot-through (ST) sebesar 0,4. Tegangan keluaran BC-qZSI adalah 447 V, sedangkan tegangan masukannya sebesar 100 V. Arus induktor (Lo1 dan Lo2) pada qZSI juga disajikan pada Gambar 2(b), yang memiliki nilai sama, yaitu 7,75 A, dan frekuensi 100 Hz akibat penjumlahan nilai L1 dan L2. Gambar 2(c) menunjukkan tegangan kapasitor pada qZSI, dengan rata-rata tegangan kapasitor sebesar Co1 = 173,57 V dan Co2 = 273,5 V. Penurunan tegangan pada kapasitor terjadi akibat komponen parasitik pada topologi tersebut.
Keluaran inverter, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2(d), memiliki tegangan keluaran sebesar 523,4 V puncak ke puncak atau 185 . Arus induktor (L1 dan L2), sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2(e), memiliki nilai arus rms yang sama, yaitu 4 A. Tegangan kapasitor pada BC-qZSI sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2(f) memiliki nilai yang sama, yaitu C1 dan C2 = 136,5 VDC, dengan tegangan sinusoidal sebesar 261,7 V puncak ke puncak.
Perbandingan antara hasil simulasi dan analisis matematis dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 menunjukkan bahwa hasil simulasi dan analisis matematis memiliki nilai yang tidak sama akibat adanya komponen parasitik pada topologi. Meskipun demikian, hasil simulasi tersebut memverifikasi analisis matematis dari BC-qZSI.
Pada prinsipnya, permasalahan common mode voltage (CMV) muncul ketika konverter diisolasi dengan material galvanik. Jika inverter beroperasi pada frekuensi pensakelaran yang tinggi, maka CMV juga akan memiliki frekuensi yang tinggi. CMV yang tinggi menyebabkan arus bocor kapasitif yang besar kembali ke sumber akibat interaksi antara laju perubahan CMV yang tinggi dan kapasitansi bocor bawaan. Kondisi ini dapat menimbulkan situasi yang tidak diinginkan, seperti terpicunya proteksi arus tanah secara tidak semestinya. Selain persoalan CMV, VSI konvensional juga memiliki keterbatasan karena tegangan keluarannya tidak dapat melebihi tegangan masukannya. Artikel ini mengusulkan kombinasi qZSI dengan konverter dua arah (bidirectional converter / BC), yang disebut BC-qZSI. Pada konfigurasi satu tahap ini, penguatan tegangan, yaitu tegangan keluaran yang lebih tinggi daripada tegangan masukan, disediakan oleh jaringan quasi-Z-source, sedangkan BC berfungsi sebagai penyaring aktif untuk mengurangi CMV.
Topologi BC-qZSI ini menawarkan keunggulan yang signifikan, antara lain tegangan keluaran yang tinggi, keluaran sinusoidal berkualitas tinggi dengan total harmonic distortion () sebesar 2%, serta tidak diperlukannya penapis keluaran tambahan. Arus masukan kontinu juga tetap terjaga sehingga rugi-rugi sistem dapat diminimalkan. Inverter yang diusulkan diverifikasi melalui analisis matematis dan simulasi menggunakan perangkat lunak PSIM. Hasil simulasi menunjukkan bahwa tegangan keluaran BC-qZSI adalah 261,7 volt puncak atau 185
, sedangkan CMV dan arusnya secara signifikan lebih rendah dibandingkan qZSI konvensional.
Penulis: Muhammad Syahril Mubarok, Ph.D.
Prodi: Teknik Elektro
Email: syahril.mubarok@ftmm.unair.ac.id
Fakultas: Teknologi Maju dan Multidisiplin
Tautan Artikel:
