Hasil analisis menunjukkan bahwa semakin tinggi penetrasi energi terbarukan tanpa dukungan GFM, semakin besar pula penurunan kualitas respons frekuensi sistem. Sebaliknya, peningkatan kontribusi GFM membuat sistem lebih mampu menahan perubahan frekuensi, mengurangi laju perubahan frekuensi, serta mempercepat pemulihan setelah gangguan. Temuan ini penting karena sistem kelistrikan modern secara bertahap bergeser dari pembangkit konvensional berbasis mesin sinkron menuju pembangkit yang terhubung melalui konverter elektronika daya.
Mengapa energi terbarukan dapat menjadi tantangan bagi stabilitas listrik?
Pembangkit tenaga surya, angin, dan sistem penyimpanan energi umumnya terhubung ke jaringan melalui inverter. Berbeda dengan generator sinkron konvensional yang memiliki massa berputar dan secara alami menyediakan inersia mekanis, inverter bergantung pada algoritma pengendalian untuk merespons perubahan kondisi jaringan.
Ketika pembangkit sinkron semakin berkurang, inersia sistem juga dapat menurun. Akibatnya, gangguan seperti hilangnya pembangkitan atau kenaikan beban dapat menyebabkan frekuensi berubah lebih cepat dan turun lebih dalam. Kondisi ini menjadi semakin penting pada jaringan dengan proporsi pembangkit berbasis inverter yang tinggi.
GFM menawarkan pendekatan berbeda dibandingkan grid-following inverter (GFL). Jika GFL mengikuti tegangan dan frekuensi yang sudah tersedia di jaringan, GFM dapat membentuk referensi tegangan dan frekuensinya sendiri. Dalam studi ini, GFM direpresentasikan menggunakan pendekatan virtual synchronous machine (VSM) yang dirancang untuk meniru sebagian karakteristik generator sinkron, termasuk inersia dan redaman virtual.
Menguji 60 skenario sistem kelistrikan
Para peneliti menggunakan sistem benchmark IEEE 9-bus dengan basis daya 100 MVA dan frekuensi nominal 50 Hz. Penetrasi energi terbarukan dibuat dalam empat tingkat, yakni 20%, 40%, 60%, dan 80%.
Pada setiap tingkat tersebut, proporsi kapasitas energi terbarukan yang menggunakan GFM divariasikan dari 0%, 25%, 50%, 75%, hingga 100%. Dengan demikian, terdapat 20 kombinasi penetrasi energi terbarukan dan GFM. Masing-masing kombinasi kemudian diuji terhadap tiga jenis gangguan: kehilangan pembangkitan sebesar 10%, peningkatan beban sebesar 10%, dan gangguan tiga fase. Total terdapat 60 skenario.
Peneliti mengamati beberapa indikator, antara lain frekuensi terendah setelah gangguan (frequency nadir), laju perubahan frekuensi atau RoCoF, waktu yang dibutuhkan sistem untuk kembali stabil, tegangan minimum, dan dukungan daya aktif dari GFM. Studi juga menguji pengaruh virtual inertia dari 1 hingga 6 detik.
Penetrasi energi terbarukan tinggi memperburuk respons frekuensi
Hasil paling jelas terlihat pada skenario kehilangan pembangkitan sebesar 10%. Ketika sistem hanya menggunakan GFL, peningkatan penetrasi energi terbarukan dari 20% menjadi 80% membuat frekuensi terendah turun dari 49,550 Hz menjadi 48,806 Hz.
Pada saat yang sama, nilai maksimum RoCoF meningkat dari 0,552 Hz/detik menjadi 1,447 Hz/detik, atau sekitar 162,1%. Waktu pemulihan juga bertambah dari 4,18 detik menjadi 7,66 detik. Tegangan minimum turun dari 0,967 p.u. menjadi 0,911 p.u.
Angka tersebut menunjukkan bahwa peningkatan pembangkit terbarukan tanpa strategi pengendalian yang tepat dapat membuat sistem lebih sensitif terhadap gangguan.
GFM memberikan perlindungan lebih baik
Ketika kontribusi GFM ditingkatkan, respons sistem berubah secara signifikan. Pada penetrasi energi terbarukan 80%, peningkatan GFM dari 0% menjadi 100% menaikkan frekuensi nadir dari 48,806 Hz menjadi 49,477 Hz.
Pada kondisi yang sama, RoCoF turun dari 1,447 Hz/detik menjadi 0,720 Hz/detik, atau berkurang sekitar 50,2%. Waktu pemulihan juga turun dari 7,66 detik menjadi 4,87 detik, atau berkurang 36,4%.
Manfaat GFM bahkan semakin besar ketika penetrasi energi terbarukan meningkat. Pada penetrasi 20%, perpindahan dari 0% menjadi 100% GFM meningkatkan frekuensi nadir sebesar 0,177 Hz. Pada penetrasi 80%, peningkatannya mencapai 0,671 Hz. Temuan ini menunjukkan bahwa nilai GFM semakin penting ketika sistem semakin didominasi sumber energi berbasis inverter.
Dukungan tersebut juga terlihat pada gangguan kenaikan beban dan gangguan tiga fase. Pada penetrasi energi terbarukan 80%, penggunaan 100% GFM meningkatkan frekuensi nadir pada skenario kenaikan beban dari 49,069 Hz menjadi 49,592 Hz. Pada gangguan tiga fase, frekuensi nadir meningkat dari 49,307 Hz menjadi 49,697 Hz. Tegangan minimum pada gangguan tiga fase juga meningkat dari 0,448 p.u. menjadi 0,493 p.u.
Inersia virtual tidak berarti semakin besar selalu semakin baik
Peneliti juga menemukan bahwa pengaturan virtual inertia membutuhkan keseimbangan. Ketika nilai inersia virtual dinaikkan dari 1 detik menjadi 6 detik, frekuensi nadir meningkat dari 49,200 Hz menjadi 49,361 Hz. RoCoF turun dari 1,020 Hz/detik menjadi 0,790 Hz/detik.
Namun, ada konsekuensinya. Waktu pemulihan justru meningkat dari 4,86 detik menjadi 5,80 detik atau sekitar 19,3%. Dengan kata lain, inersia virtual yang lebih besar memang dapat membantu menahan penurunan frekuensi pada awal gangguan, tetapi dapat memperlambat proses kembali ke kondisi stabil.
Karena itu, Endang Sukarna dan rekan-rekannya menekankan bahwa desain GFM tidak cukup hanya dengan meningkatkan inersia virtual. Penentuan proporsi GFM perlu dipertimbangkan bersama pengaturan inersia, redaman, droop, batas arus, serta ketersediaan cadangan daya.
Implikasi bagi pengembangan jaringan listrik
Temuan ini memberikan gambaran bahwa transisi menuju energi terbarukan membutuhkan lebih dari sekadar menambah kapasitas pembangkit surya atau angin. Sistem jaringan juga membutuhkan teknologi pengendalian yang mampu menjaga frekuensi dan tegangan ketika kontribusi generator sinkron semakin berkurang.
Pada kondisi 80% penetrasi energi terbarukan dan 100% kapasitas terbarukan beroperasi sebagai GFM, dukungan daya puncak pada skenario kehilangan pembangkitan mencapai 10,2% dari basis sistem. Namun, peneliti mengingatkan bahwa dukungan tersebut membutuhkan sumber energi yang cukup. Sistem praktis dapat memerlukan baterai, energy buffer, pengurangan sementara keluaran pembangkit, atau sumber cadangan lain agar inverter mampu menyediakan daya tambahan ketika terjadi gangguan.
Dengan demikian, GFM berpotensi menjadi salah satu teknologi penting dalam membangun sistem listrik yang mampu menampung energi terbarukan dalam jumlah besar. Namun, hasil studi ini belum dapat langsung dijadikan batas operasional jaringan karena data yang digunakan merupakan benchmark simulasi sintetis. Para peneliti merekomendasikan validasi menggunakan model dinamis yang terdokumentasi, simulasi seperti MATLAB/Simulink, DIgSILENT PowerFactory atau PSCAD, serta pengujian hardware-in-the-loop untuk memastikan hasil tersebut berlaku pada kondisi sistem nyata.
Profil Penulis
Endang Sukarna — Politeknik Negeri Bandung. Penulis utama dan corresponding author. Bidang kajian artikel berkaitan dengan sistem tenaga listrik, integrasi energi terbarukan, inverter grid-forming, dan stabilitas frekuensi.
Farrah Fauzia — Politeknik Negeri Bandung. Berkontribusi dalam kajian mengenai performa GFM dan integrasi energi terbarukan pada sistem tenaga.
Dwi Feriyanto — Departemen Software Engineering, Faculty of Technology and Informatics, Aisyah University. Berkontribusi dalam kajian dan analisis berbasis skenario.
Manovri Yeni — Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Aceh. Berkontribusi dalam kajian performa sistem tenaga dan integrasi teknologi inverter.
Gelar akademik dan bidang keahlian spesifik masing-masing penulis tidak dicantumkan secara rinci dalam artikel sumber, sehingga tidak ditambahkan untuk menghindari informasi yang tidak terverifikasi.
.jpg)
0 Komentar