ACHIEVING FUTURE 100% RENEWABLE ENERGY POWER SYSTEMS THROUGH GRID-FORMING INVERTERS: A STABILITY ANALYSIS

Herbert Imanuel Purba, Husni Rois Ali, S.T., M.Eng., Ph.D., DIC.,SMIEEE. ; Prof. Dr. Ir. Sasongko Pramono H, DEA., IPU.

2025 | Skripsi | TEKNIK ELEKTRO

Transisi energi menimbulkan tantangan pada dinamika sistem tenaga listrik karena tingginya penetrasi sumber daya berbasis inverter (IBRs). Sebagai solusi, teknologi Grid-Forming Inverter (GFMI) dengan kontrol Droop dan Virtual Synchronous Generator (VSG) hadir sebagai solusi potensial yang memungkinkan IBRs berkontribusi pada kestabilan grid. Karena kerja dinamis GFMI yang kompleks diperlukan studi komprehensif untuk menelusuri setiap karaketeristik dan pola kontrol dari GFMI. Skripsi ini menyajikan studi stabilitas komprehensif mengenai GFMI berbasis Droop dan VSG melalui studi analisis small signal dan analisa transien untuk menginvestigasi performa kedua kontrol terhadap berbagai variasi dari parameter grid, parameter kontrol, dan konfigurasi operasi. Hasil investigasi mengungkapkan karakteristik stabilitas dan kompromi desain yang berbeda antara kontrol Droop dan VSG. Investigasi menunjukan bahwa stabilitas kedua jenis kontrol  memburuk pada grid dengan rasio impedansi r/x yang semakin tinggi. Hal ini terjadi karena masalah kopling kontrol yang ikut meningkat. Investigasi juga menunjukan penguatan grid menurunkan stabilitas kedua kontrol, namun penurunan pada VSG lebih signifikan sehingga VSG mencapai ketidakstabilan pada tingkat SCR yang lebih rendah (SCR = 10, droop masih stabil pada SCR = 20). Analisis small-signal menunjukkan adanya trade-off performa kecepatan-stabilitas pada parameter kontrol sinkronisasi daya m_p dan D_p. Peningkatan konstan inersia (H) menurunkan margin stabilitas dan memperlambat dinamika di small-signal. Peningkatan nilai parameter n_q pada kedua kontrol sama-sama meningkatkan kecepatan respon kontrol magnitudo tegangan dan sedikit mempengaruhi kecepatan sinkronisasi kedua sisem kontrol. Investigasi pada loop tegangan menunjukan gain sumbu d (K_i^d, K_p^d) umumnya meningkatkan stabilitas dan kecepatan dinamis sistem.  Sebaliknya, gain sumbu q (K_i^q, K_p^q) umumnya berpengaruh pada  stabilitas dan kecepatan kontrol magnitudo tegangan. Studi dalam konfigurasi paralel menunjukkan bahwa ketidaksesuaian pada parameter memiliki efek yang sama pada operasi GFMI tunggal dengan sedikit perbedaan yaitu berupa efek dekopling pada state sinkronisasinya. Pada konfigurasi paralel VSG-Droop stabilitas sistemnya sangat bergantung pada stabilitas GFMI VSG karena state-nya yang mendominasi mode kritis sistem. Pada hasil percobaan dapat dipahami jika variasi pembagian daya output pada VSG-Droop tidak berpengaruh signifikan pada stabilitas sistem. Terakhir, analisis transien mengkonfirmasi jika kedua strategi kontrol mampu mempertahankan sinkronisasi selama gangguan besar. Meskipun VSG secara konsisten menunjukkan superioritas regulasi frekuensi karena inersia virtualnya serta Droop yang secara general memiliki respon yang lebih cepat, kedua kontroler tetap memiliki kerentanan dalam respons kontrol tegangan yang seringkali menghasilkan overshoot yang signifikan pasca-gangguan. 

The energy transition introduces power system dynamic challenges due to high penetration of inverter-based resources (IBRs), making Grid-Forming Inverter (GFMI) technology with Droop and Virtual Synchronous Generator (VSG) controls a potential solution. This thesis provides a comprehensive stability assessment of these GFMI controls through small-signal eigenvalue analysis and time-domain simulations, investigating their performance across various grid parameters, control parameters, and operational configurations. The results reveal the distinct stability characteristics and design tradeoffs of Droop and Virtual Synchronous Generator (VSG) controls. Both are negatively affected by high R/X ratio grids due to control decoupling issues, and exhibit contrasting responses to grid strength: while stability degrades for both as the grid strengthens, the VSG shows more severe degradation, leading to instability at lower Short Circuit Ratio (SCR) values (SCR = 10) than the Droop controller (still stable at SCR = 20). Critical tradeoffs are identified for key control parameters: in Droop control, decreasing droop gain (m_p) and increasing damping coefficient (D_p) improves power-angle mode stability at the expense of dynamic speed; for VSG, a higher inertia constant (H) degrades overall system stability but improves transient RoCoF. Increasing n_q enhances voltage magnitude control for both without significant impact on the power-angle mode. In the voltage control loop, d-axis gains (K_i^d, K_p^d) generally improve power-angle and virtual inertia mode stability and speed. Conversely, q-axis gains (K_i^q,K_p^q) affect to voltage magnitude control stability.  Parallel configuration of GFMI shows that the effect mostly the same like in standalone operation, with only difference is as parameter become nonidentical the decoupling between each state become more pronounce.Furthermore, the parallel VSG-Droop system stability is dictate by VSG as its states is the most dominant participant on critical modes. This mean that in weak grid the system is inherently strong, but degrade significantly as the grid strength increase. The power output variation on this parallel configuration also has minimal effect on system stability. Finally, transient analysis confirms both strategies maintain synchronization during large disturbances, with VSG showing superior frequency regulation due to virtual inertia, but both share a vulnerability in voltage control response, often resulting in significant overshoots, highlighting complex tradeoffs to balance response speed and stability.

Kata Kunci : Inverter Grid-Forming, Stabilitas Sinyal Kecil, Analisis Eigenvalue, Kontrol Droop, Virtual Synchronous Generator (VSG), Inverter Paralel, Margin Stabilitas