String PV dan batas masukan inverter: tegangan rangkaian terbuka pada suhu terendah, jendela MPPT, arus string, sekering, kabel DC, dan uji sebelum disambung

Sebuah hotel akan menambah modul surya di atap gedung parkirnya. Penawaran kontraktor memasang 21 modul 420 W per string pada inverter 20 kW. Kepala teknik membuka dua manual. Tabel listrik manual modul memberi tegangan rangkaian terbuka 52,4 V, tegangan daya maksimum 43,57 V, arus hubung singkat 10,23 A, dan arus daya maksimum 9,64 A untuk modul itu. Manual inverter memberi tegangan masukan maksimum 1.100 V, rentang MPPT beban penuh 480 sampai 800 V untuk model 20 kW, dan arus hubung singkat paling besar 20 A per string. Hitungan pertama sudah cukup: $21 \times 52{,}4 = 1100{,}4$ V, di atas batas inverter pada 25 °C, sebelum pagi yang lebih dingin menaikkan tegangan. Manual inverter menyebut tegangan masukan maksimum sebagai tegangan DC tertinggi yang dapat ditahan inverter; di atasnya inverter dapat rusak.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pemeriksaan konfigurasi string terhadap batas masukan inverter. Manual yang dibandingkan adalah lima dokumen pabrik: manual pengguna inverter string 12 sampai 25 kW, manual pengguna inverter string 75 sampai 115 kW (teksnya terpotong), manual pemasangan dan operasi inverter hibrida 11 sampai 30 kW, serta manual pemasangan modul surya kristalin A dan B. Angka setiap manual berlaku untuk produknya; pembaca memakai manual dan lembar data unit yang terpasang.

Bab ini bukan bab desain PLTS: kapasitas, rasio daya DC terhadap AC, energi tahunan, ukuran kabel DC menurut susut tegangan, dan rating isolator serta kotak gabung tidak dibahas. Persyaratan bagian PV PUIL 2020, SNI 0225-7-712:2021, tidak ditulis di sini karena isinya belum dapat dipastikan per 19 Oktober 2026; tanyakan ke perancang atau pemasang bersertifikat.

Keselamatan sisi DC ada di Bab 90 tentang keselamatan sisi DC PLTS atap dan wajib dibaca sebelum menyentuh string. Alarm inverter dibahas di Bab 92 tentang inverter on-grid string, pemasangan larik di Bab 93 tentang pemasangan dan perawatan larik modul surya di atap, dasar sel surya di Bab 26 · Fisika tentang fisika semikonduktor dan foton, kemampuan hantar arus dan faktor koreksi di Bab 27, susut tegangan di Bab 28, pemasangan perkawatan di Bab 30, uji resistansi isolasi di Bab 17, serta proteksi arus lebih dan arus hubung pendek sisi AC di Bab 23 dan Bab 24.

Konfigurasi string ditetapkan perancang, dan pemasangan, penyambungan, serta pengukuran string dikerjakan teknisi PV berkompeten. Teknisi hotel memakai bab ini untuk memeriksa penawaran, dokumen desain, dan catatan komisioning.

Dari sel ke string: angka pada tabel modul

Kondisi uji standar (standard test conditions, STC) adalah kondisi acuan pengukuran modul surya, yaitu iradiasi 1.000 W/m², suhu sel 25 °C, dan spektrum AM 1,5. Tegangan rangkaian terbuka (open-circuit voltage, Voc) adalah tegangan di antara kedua kutub modul atau string ketika tidak ada arus yang mengalir. Arus hubung singkat (short-circuit current, Isc) adalah arus modul ketika kedua kutubnya dihubung singkat. Titik daya maksimum (maximum power point) adalah pasangan tegangan Vmp dan arus Imp tempat modul memberi daya terbesar.

Manual modul A menyatakan karakteristik listrik pengenal berada dalam ±10 persen dari nilai terukur pada STC. Pada modul yang disambung seri, tegangan dijumlah; pada string yang diparalel, arus keluaran sama dengan jumlah arus cabang.

Tabel listrik manual modul B memberi contoh berikut; tegangan per sel adalah tegangan modul dibagi jumlah sel.

Bab 26 · Fisika tentang fisika semikonduktor dan foton mencatat tegangan sekitar 0,5 sampai 0,6 V per sel surya. Tabel di atas menunjukkan bahwa angka itu cocok untuk tegangan kerja di titik daya maksimum, 0,52 sampai 0,57 V per sel, sedangkan tegangan rangkaian terbuka per sel sekitar 0,63 sampai 0,69 V. Untuk batas tegangan inverter, yang dipakai adalah Voc, karena string terbuka sebelum inverter mulai bekerja dan ketika inverter berhenti.

Tegangan naik saat dingin

Manual modul A menulis bahwa tegangan modul naik di atas nilai lembar data pada suhu operasi di bawah 25 °C dan harus diperhitungkan dalam desain. Koefisien suhu tegangan rangkaian terbuka (temperature coefficient of Voc) adalah perubahan relatif Voc untuk setiap derajat suhu, yang dicantumkan lembar data modul. Karena tegangan naik saat suhu turun, koefisien itu bernilai negatif.

Kedua manual modul memberi rumus yang sama untuk memeriksa tegangan sistem:

$V_\text{sistem,maks} \ge N \times V_\text{oc} \times \left[1 + TC_{V_\text{oc}} \times (T_\text{min} - 25)\right]$

dengan $V_\text{sistem,maks}$ tegangan sistem maksimum yang diizinkan (V), $N$ jumlah modul seri, $V_\text{oc}$ tegangan rangkaian terbuka modul dari label atau lembar data (V), $TC_{V_\text{oc}}$ koefisien suhu Voc (per °C, misalnya $-0{,}0030$ per °C untuk $-0{,}30$ persen per °C), dan $T_\text{min}$ suhu sekitar terendah di lokasi (°C). Manual inverter 75 sampai 115 kW merujuk IEC 62548: Voc maksimum tiap string tidak boleh melebihi 1.100 V pada suhu bola kering rata-rata tahunan terendah. Definisi suhu terendah dalam manual modul dan dalam rujukan IEC itu tidak sama, sehingga perancang menyebut definisi yang dipakai.

Koefisien suhu diambil dari lembar data modul yang dipasang, dan suhu terendah lokasi dari data cuaca setempat oleh perancang; nilai keduanya tidak tersedia di bab ini. Koefisien dan suhu dalam contoh kerja dan latihan dibuat untuk berlatih.

Kedua manual modul juga memberi pendekatan kedua. Dalam kondisi normal, modul dapat menghasilkan arus atau tegangan lebih besar daripada nilai STC, sehingga Isc dan Voc pada label dikalikan 1,25 untuk menentukan rating tegangan komponen, rating arus konduktor, ukuran sekering, dan kendali yang tersambung ke keluaran PV. Tegangan masukan maksimum inverter adalah rating tegangan komponen, sehingga kalimat itu dapat dibaca berlaku untuk inverter. Dua pendekatan memberi jumlah modul maksimum yang berbeda (Contoh 1 dan 2). Perancang memilih dasar yang dipakai dan menuliskannya; teknisi hotel memeriksa bahwa dasar itu tertulis dan hasilnya di bawah batas.

Batas tegangan pada inverter

Pelacakan titik daya maksimum (maximum power point tracking, MPPT) adalah fungsi inverter yang terus mengatur tegangan kerja string agar string bekerja di titik daya maksimumnya. Rentang MPPT beban penuh (full-load MPPT voltage range) adalah rentang tegangan kerja tempat inverter dapat memberi daya pengenal penuh. Dua manual memberi angka berikut:

Manual inverter 12 sampai 25 kW meminta tegangan MPPT di atas batas bawah rentang beban penuh; bila tidak, inverter menurunkan daya. Manual itu juga meminta tegangan antar-MPPT sama, sedangkan manual inverter 75 sampai 115 kW meminta bedanya kurang dari 85 V. Bila kedua syarat itu berbeda, yang berlaku adalah syarat manual inverter terpasang. Vmp turun saat modul panas, sehingga perancang memberi jarak dari batas bawah.

Batas tegangan juga milik modul dan konektor. Tegangan sistem maksimum harus lebih kecil dari tegangan bersertifikat modul dan tidak melebihi tegangan maksimum komponen mana pun, termasuk konektor. Manual modul A menulis 1.500 V DC di halaman keselamatan, tetapi "umumnya 1.000 V" dan 1.500 V hanya untuk tipe tertentu di halaman pengawatan, sehingga label modul yang menentukan. Batas yang berlaku adalah yang terkecil.

Arus string dan arus per MPPT

Batas arus dari dua manual inverter:

Dua string yang diparalel pada satu MPPT harus sama model, jumlah, orientasi, dan sudut kemiringan modulnya. Manual modul A menganjurkan modul pada bidang dan orientasi berbeda dimasukkan ke inverter atau MPPT berbeda. Manual hibrida meminta total daya semua string tidak melebihi daya masukan maksimum inverter. Manual inverter 12 sampai 25 kW memberi peringatan arus balik bila satu string berisi lebih sedikit modul seri sehingga tegangannya lebih rendah. Manual inverter 75 sampai 115 kW tidak mendukung paralel penuh string di luar inverter. Rating arus konduktor memakai Isc kali 1,25 menurut manual modul.

Sekering string dan arus balik

Arus balik (reverse current) adalah arus yang mengalir masuk ke sebuah string dari string lain yang diparalel, misalnya ketika string itu terbayang atau terganggu. Sekering string (string fuse) adalah sekering DC yang dipasang seri pada satu string untuk membatasi arus balik dan arus gangguan.

Manual modul A menulis:

1. sekering harus berrating tegangan DC maksimum sistem;
2. sekering dipasang di setiap kutub yang tidak dibumikan; pada sistem yang tidak dibumikan, di kutub positif dan negatif;
3. rating sekering seri maksimum tipikal 15 A, nilai sebenarnya ada di label dan lembar data modul;
4. rating itu sama dengan arus balik maksimum yang dapat ditahan modul, sehingga memengaruhi jumlah string yang boleh diparalel.

Manual modul B menulis isi yang sama. Keluaran string pada inverter tanpa trafo tidak boleh dibumikan, sehingga bila sekering dipasang, kedua kutub termasuk kutub yang tidak dibumikan. Manual hibrida mencantumkan proteksi sekering string "tidak ada" dan arus balik ke larik 0 A dalam spesifikasinya. Manual modul A meminta sekering string di setiap kutub diperiksa saat perawatan tahunan.

Bab ini tidak memberi aturan hitung jumlah string paralel tanpa sekering. Angka itu ditetapkan perancang dari rating sekering seri modul dan aturan setempat. Sekering AC dan koordinasinya dengan kabel dibahas di Bab 23 tentang proteksi arus lebih; sekering AC tidak dipakai di sirkit string DC.

Kabel DC dan konektor

Persyaratan kabel dalam lima manual:

Manual modul A juga menyebut kabel keluaran modul 12 AWG, sekitar 3,3 mm², di paragraf lain yang menyebut 4 mm²; ukuran kabel modul diperiksa pada lembar data.

Aturan pemasangan dari manual inverter:

• kabel positif dan negatif string disarankan lewat pipa berbeda;
• kabel daya tidak digulung, dipuntir, disambung, atau dilas;
• bila tata letak kabel atau suhu sekitar berubah, kemampuan hantar arus diperiksa menurut IEC 60364-5-52 atau aturan setempat, seperti di Bab 27;
• jarak kabel ke daerah panas paling sedikit 30 mm;
• tidak ada tegangan radial atau torsi pada konektor, dua jenis konektor tidak dicampur, dan terminal yang tidak dipakai tetap bertutup kedap air.

Konduit dan pengaruh eksternal pada perkawatan dibahas di Bab 30 tentang pemasangan sistem perkawatan.

Uji sebelum disambung

Uji ini dikerjakan teknisi PV berkompeten dengan memperhatikan keselamatan di Bab 90 tentang keselamatan sisi DC PLTS atap. Urutannya menurut manual:

1. Polaritas ditandai, konektor dirakit, dan kabel ditarik balik setelah dikrimp dan setelah konektor terpasang untuk memastikan terkunci.
2. Tegangan di antara kutub positif dan negatif setiap string diukur dengan multimeter yang rentang DC-nya paling sedikit 1.100 V. Nilai negatif berarti polaritas salah. Nilai di atas 1.100 V berarti modul seri terlalu banyak.
3. Sebelum string diparalel, tegangan dan polaritas tiap string diperiksa. Bila ada polaritas terbalik atau beda tegangan antar-string lebih dari 10 V, konfigurasi diperiksa dulu.
4. Resistansi isolasi kabel PV negatif terhadap bumi diuji dengan 1.500 V DC. Hasil 1 MΩ atau lebih normal; di bawah 1 MΩ, gangguan isolasi kabel atau string dicari. Semua kabel PV negatif boleh disatukan dengan adaptor untuk diuji sekaligus. Penguji isolasi bertegangan keluaran di atas 1.500 V.
5. Bila terukur tegangan DC stabil yang tidak nol di antara kutub positif string dan bumi, ada gangguan isolasi di string, dan gangguan itu diperbaiki sebelum pengawatan dilanjutkan.
6. Sebelum menyala: pembumian benar, sakelar DC dan semua sakelar terkait OFF, kabel benar dan kencang, terminal tak terpakai tertutup. Sistem dinyalakan menurut urutan manual produknya.

Tegangan uji dan nilai 1 MΩ di atas adalah angka satu manual inverter. Bab 17 tentang uji resistansi isolasi menjelaskan cara kerja alat uji isolasi dan tegangan uji instalasi 230/400 V; untuk string PV, tegangan uji mengikuti manual produk. Teknisi hotel menyimpan catatan uji per string: nomor string, jumlah modul, tegangan terukur, polaritas, resistansi isolasi, tanggal, jam, dan cuaca, karena tegangan bergantung suhu.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya. Data modul 420 W dan batas inverter berasal dari manual yang dibahas di atas.

Contoh 1: faktor 1,25. Untuk modul kasus pembuka, menurut manual modul, $52{,}4 \times 1{,}25 = 65{,}5$ V per modul.

$16 \times 65{,}5 = 1048\ \text{V} \le 1100\ \text{V}, \qquad 17 \times 65{,}5 = 1113{,}5\ \text{V} > 1100\ \text{V}$

String paling banyak 16 modul.

Contoh 2: rumus koefisien suhu. Misalkan lembar data memberi $-0{,}30$ persen per °C dan suhu terendah lokasi 15 °C:

$V_\text{oc,dingin} = 52{,}4 \times \left[1 + (-0{,}0030) \times (15 - 25)\right] = 52{,}4 \times 1{,}03 = 53{,}97\ \text{V}$

Dua puluh modul memberi 1.079,4 V, di bawah 1.100 V; 21 modul memberi 1.133,4 V. Rumus ini mengizinkan 20 modul, sedangkan faktor 1,25 mengizinkan 16. Dengan koefisien yang sama, faktor 1,25 setara dengan suhu sekitar $-58$ °C, jadi faktor itu margin umum untuk kondisi di atas STC, bukan hitungan suhu. Teknisi hotel tidak memilih sendiri; yang diperiksa adalah dasar tertulis perancang dan lembar data yang dipakainya.

Contoh 3: jendela MPPT beban penuh. Vmp 43,57 V, rentang beban penuh 480 sampai 800 V:

$11 \times 43{,}57 = 479{,}3\ \text{V}, \quad 12 \times 43{,}57 = 522{,}8\ \text{V}, \quad 18 \times 43{,}57 = 784{,}3\ \text{V}, \quad 19 \times 43{,}57 = 827{,}8\ \text{V}$

Sebelas modul berada di bawah batas bawah, sehingga inverter menurunkan daya; 19 modul di atas batas atas. Jendela pada STC 12 sampai 18 modul, dan digabung dengan Contoh 1 menjadi 12 sampai 16 modul; 16 modul memberi 697,1 V, jauh dari batas bawah ketika modul panas.

Contoh 4: dua batas tegangan dalam satu manual. Manual hibrida menulis Voc string tidak melebihi 1.000 V di halaman pengawatan, tetapi tegangan masukan maksimum 1.100 V di halaman lain. Pada STC, $19 \times 52{,}4 = 995{,}6$ V memenuhi 1.000 V, sedangkan 20 modul (1.048 V) hanya memenuhi 1.100 V. Dengan faktor 1,25, $15 \times 65{,}5 = 982{,}5$ V memenuhi 1.000 V dan 16 modul (1.048 V) tidak. Sampai pabrik menjelaskan, batas yang lebih ketat, 1.000 V, yang dipakai.

Contoh 5: membaca hasil ukur Voc. Tiga string 16 modul diukur pada jam yang sama: 851 V, 849 V, dan 797 V. Angka STC $16 \times 52{,}4 = 838{,}4$ V. Dua angka pertama sedikit di atas STC, wajar untuk pagi yang sejuk. String ketiga lebih rendah 52 sampai 54 V dari dua string lain, hampir sama dengan Voc satu modul, sehingga teknisi PV memeriksa jumlah modul dan sambungannya. Bacaan $-850$ V berarti polaritas terbalik.

Contoh 6: uji isolasi gabungan. Satu string terukur 0,6 MΩ pada 1.500 V DC, di bawah 1 MΩ, sehingga gangguan dicari. Pada uji gabungan empat kabel PV negatif, resistansi paralel berlaku: empat string masing-masing 3 MΩ terbaca

$R = \frac{1}{4/3} = 0{,}75\ \text{M}\Omega$

di bawah 1 MΩ, walaupun tiap string di atas 1 MΩ. Bila gabungan terbaca 0,8 MΩ dan tiga string masing-masing 50 MΩ, string keempat sekitar 0,84 MΩ. Hasil gabungan yang gagal karena itu diuji ulang per string sebelum disimpulkan.

Kondisi berhenti

Konfigurasi atau penyambungan dihentikan dan dikembalikan ke perancang atau teknisi PV berkompeten bila:

1. Voc string hasil hitungan pada STC, dengan faktor 1,25, atau dengan rumus suhu melebihi batas inverter, modul, atau konektor.
2. Tegangan terukur negatif, melebihi batas masukan inverter, atau berbeda lebih dari 10 V dari string yang akan diparalel.
3. String pada satu MPPT berbeda model, jumlah, orientasi, atau kemiringan modulnya.
4. Resistansi isolasi di bawah 1 MΩ, atau ada tegangan DC stabil tak nol di antara kutub positif dan bumi.
5. Kabel atau konektor tidak sesuai, jenis konektor dicampur, atau kabel tergulung, tersambung, tertarik, atau tergores.
6. Lembar data modul (koefisien suhu, rating sekering seri, tegangan sistem maksimum) tidak tersedia.
7. Manual memberi dua batas yang bertentangan dan pabrik belum menjelaskan.
8. Inverter memberi alarm tegangan string tinggi atau konfigurasi modul tidak normal (Bab 92 tentang inverter on-grid string).

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 90 tentang keselamatan sisi DC PLTS atap memberi aturan keselamatan untuk setiap pengukuran di bab ini, Bab 92 tentang inverter on-grid string menjelaskan alarm bila batas string terlewati, dan Bab 93 tentang pemasangan dan perawatan larik modul surya di atap membahas pemasangan larik yang menentukan orientasi string. Bab 26 · Fisika tentang fisika semikonduktor dan foton menjelaskan sel surya, Bab 27 tentang kemampuan hantar arus dan Bab 28 tentang susut tegangan membahas kabel, dan Bab 24 tentang arus hubung pendek dan kapasitas pemutusan membahas arus hubung pendek sisi AC.

Latihan dan pembahasan

Referensi