Pengendalian Inverter Sumber Tegangan untuk Mengatasi Permasalahan Inersia Rendah di Sistem Microgrid dalam Kasus Panel Surya Atas Atap

Fikri Waskito, Prof. Dr. Eng. Ir. F. Danang Wijaya, S.T., M.T., IPM.; Ir. Eka Firmansyah, S.T., M.Eng., Ph.D., IPM., ASEAN Eng.

2026 | Disertasi | S3 Teknik Elektro

Peningkatan penetrasi pembangkit energi terbarukan berbasis inverter, khususnya sistem fotovoltaik (PV), menyebabkan penurunan signifikan inersia efektif pada sistem tenaga listrik modern. Inverter tipe grid-gollowing (GFL) secara inheren beroperasi dengan inersia mendekati nol, sehingga memperburuk stabilitas frekuensi sistem yang ditandai oleh peningkatan rate of change of frequency (RoCoF) dan penurunan frequency nadir selama gangguan, khususnya pada kondisi islanding. Penelitian ini mengusulkan arsitektur kendali berbasis perangkat lunak untuk meningkatkan kemampuan dukungan stabilitas frekuensi pada inverter GFL eksisting tanpa memerlukan modifikasi perangkat keras menuju struktur grid-forming (GFM).

Pendekatan yang diusulkan mereformulasikan model inersia virtual berbasis swing equation ke dalam representasi kuadratur fasa tunggal (dq-axis) yang asimetris sehingga dapat diterapkan pada inverter PV atap berkapasitas residensial. Selanjutnya, lapisan kendali pengawas berbasis model predictive control (MPC) digunakan untuk mengatur injeksi daya aktif dan reaktif secara simultan. Untuk mengatasi latensi komputasi yang timbul dari optimisasi quadratic programming berdimensi besar, diterapkan pendekatan model order reduction (MOR) berbasis balanced hankel truncation yang mereduksi orde sistem dari 46 keadaan dinamis menjadi 12 keadaan dominan.

Pemodelan usulan solusi pada sistem modified Single-Machine to Infinite Bus menunjukkan bahwa arsitektur yang diusulkan mampu menurunkan RoCoF mendekati 75% serta meningkatkan frequency nadir dari 49,12 Hz menjadi 49,65 Hz pada kondisi islanding. Selain itu, kerangka MOR-MPC memungkinkan respons injeksi daya aktif-reaktif dalam waktu 150 ms tanpa mengakibatkan kesalahan keadaan tunak pada frekuensi sistem. Metode yang diusulkan memberikan pendekatan praktis untuk meningkatkan resiliensi frekuensi pada sistem microgrid berinersia rendah yang didominasi oleh sumber energi berbasis inverter.

The increasing penetration of inverter-based renewable generation, particularly photovoltaic (PV) systems, significantly reduces the effective inertia of modern power grids. Conventional grid-following (GFL) inverters inherently operate with near-zero rotational inertia, resulting in severe degradation of frequency stability characterized by high rate of change of frequency (RoCoF) and deep frequency nadir during islanding disturbances. This work proposes a software-based control architecture to enhance the dynamic frequency support capability of existing GFL inverters without requiring hardware-level modification to grid-forming structures.

First, a reformulation of the conventional swing-equation-based virtual inertia model is derived for single-phase inverter systems using an asymmetric dq-axis representation suitable for residential rooftop PV inverters. Second, a supervisory control layer based on model predictive control (MPC) is introduced to regulate active and reactive power injection. To address computational latency associated with large-scale quadratic programming optimization, a model order reduction (MOR) approach based on balanced Hankel truncation is applied, reducing the system order from 46 states to 12 dominant states.

Simulation studies on modified Single-Machine to Infinite Bus demonstrate that the proposed architecture reduces RoCoF by approximately 75% and improves the frequency nadir from 49.12 Hz to 49.65 Hz under islanding conditions. The MOR–MPC framework further enables rapid P–Q power injection within 150 ms while eliminating steady-state frequency deviation. The proposed method provides a practical pathway to enhance frequency resilience in low-inertia microgrids dominated by inverter-based resources.

Kata Kunci : virtual inertia, grid-following inverter, swing equation fasa-tunggal, model predictive control, model order reduction, frequency nadir.