Vol. 10 No. 2, April 2022   ISSN: 2303-0577

## VIRTUAL SYNCHRONOUS GENERATOR UNTUK KOMPENSASI INERSIA PADA SISTEM MICROGRID
Alfandi Wicaksono 1* , Khairudin 2 , Noer Soedjarwanto 3
1,2,3 Jurusan Teknik Elektro, Universitas Lampung; Jl. Prof. Sumantri Brojonegoro No.1, Bandar Lampung
Riwayat artikel: Received: 27  Februari   2022 Accepted: 11  Maret   2022 Published: 10 April   2022

## Keywords:
Distributed generation,virtual synchronous generator, frekuensi, inersia, microgrid.
Corespondent Email: a lfandiwicak12@gmail.com
How to cite this article:
Alfandi  (2022). Virtual Synchronous Generator Untuk Kompensasi Inersia Pada Sistem Microgrid. Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan,
10(2)
This article is an open-access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY NC)
Abstrak. Semakin banyak pembangkit listrik terbarukan berbasis elektronika daya  yang  terintegrasi  ke  dalam  jaringan  listrik  berakibat  kurangnnya  total inersia  sistem.  Sistem  dengan  inersia  yang  rendah  akan  rentan  terhadap kehilangan kestabilan ketika terjadi usikan dalam sistem meskipun mungkin hanya  berupa  gangguan  kecil.  Konsep virtual  synchronous  generator dikembangkan  untuk  menambahkan  inersia  buatan  menggunakan energy storage serta inverter pada distributed generation . Pada virtual synchronous generator , pengaturan frekuensi dapat dilakukan dengan mengatur besarnya daya  yang  melayani  beban  melalui energy  storage. Pengaturan  dilakukan dengan  menerima  input  berupa  selisih  antara  frekuensi  yang  terukur  dan frekuensi  nominal,  kemudian  memberikan  respon  daya  pada microgrid melalui energy storage. Hasil penelitian menunjukkan, ketika beban lepas dari microgrid mengakibatkan frekuensi mengalami overshoot sesaat sehingga vsg merespon  dengan  menyimpan  daya  yang  disuplai  menggunakan energy strorage dan  ketika  beban  masuk  ke microgrid mengakibatkan  frekuensi mengalami drop sesaat  sehingga vsg merespon  dengan  memberikan  daya tambahan melalui energy storage .
Abstract. With a lot renewable power plants based on power electronics are integrated into the power grid, resulting in less total inertia. Systems with low inertia  will  be  prone  to  loss  of  stability  when  there  is  a  disturbance  in  the system even though it may be only a small disturbance. The concept of virtual synchronous generator was developed to add artificial inertia using energy storage  and  inverter  in  distributed  generation.  In  a  virtual  synchronous generator, frequency settings can be done by adjusting the amount of power that serves the load through energy storage. The setting is done by receiving input in the form of the difference between the measured frequency and  the nominal  frequency,  then  providing  a  power  response  to  the  microgrid  via energy  storage.  The  results  show  that  when  the  load  is  removed  from  the microgrid , the frequency will experience a overshoot momentaryso that vsg responds  by  saving  the  power  supplied  using  energy  storage  and  when  the load enters the microgrid it causes the frequency to drop momentarily so that vsg responds by providing additional power through energy storage.

## 1. PENDAHULUAN
Peningkatan  gas  rumah  kaca  disebabkan oleh  penggunaan  bahan  bakar  fosil  yang berdampak pada meningkatnya polusi
lingkungan.  Berdasarkan  masalah  tersebut, untuk  mengurangi  efek  dari  gas  rumah  kaca dilakukan dengan menggunakan sumber energi terbarukan  [1].  Sumber  energi  terbarukan
Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan (JITET) ISSN: 2303-0577
merupakan  bagian  dari distributed  generation
yang disatukan pada sistem saling berhubungan. Dalam proses penetrasi distributed  generation ke  dalam  sistem tenaga terdapat masalah yaitu tidak adanya inersia [2]. Masalah  tersebut  mengakibatkan  terjadinya ketidakseimbangan antara permintaan daya dan pembangkitan  listrik  sehingga  berakibat  pada ketidakstabilan  frekuensi  pada  sistem  [3]. Konsep virtual synchronous generator merupakan  kontrol  yang  berguna  memberikan inersia  buatan  menggunakan energy  storage dan inverter  elektronika  daya  pada distributed generation . Konsep virtual synchronous generator diaplikasikan  di jaringan microgrid. Jaringan microgrid merupakan sistem tenaga di sekelompok  beban  yang  saling  terhubung dengan  pembangkit  terdistribusi  yang  mampu bekerja  untuk  mengatur  penyimpanan  energi dan beroperasi secara mandiri.
Penelitian ini bertujuan untuk
mengkompensasi total inersia yang kurang dari sistem  akibat  pembangkit  listrik  terbarukan berbasis  elektronika  daya.  Penelitian  ini  juga bertujuan untuk mengatasi masalah ketidakstabilan  frekuensi  akibat  perubahan daya pada sisi beban di sistem microgrid .

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Virtual Synchronous Generator Ide virtual  synchronous  generator awalnya didasarkan pada sifat dinamis generator sinkron untuk  unit distributed  generation berbasis elektronika daya. Virtual synchronous generator merupakan kombinasi antara kontrol, distributed  generation , energy  storage  source , dan komponen elektronika daya yang berfungsi untuk menambahkan inersia agar meningkatkan stabilitas  frekuensi  sistem  [4].  Inersia  dalam gerak  rotasi  menyatakan  ukuran  kemampuan benda untuk mempertahankan kecepatan sudut.
Dalam sistem tenaga konvensional bergantung  kinerja  dinamis  generator  sinkron. Berdasarkan hal tersebut didapatkan persamaan ayunan sebagai berikut.
𝑃𝑚 − 𝑃𝑒 = 𝐽𝜔 𝑑𝜔 𝑑𝑡 + 𝐷∆𝜔
Dimana 𝐽 adalah  momen  inersia,  ω  adalah kecepatan  sudut  rotor  sinkron, ∆𝜔 adalah perubahan  kecepatan  sudut  , 𝑑∆𝜔 𝑑𝑡 adalah  laju
perubahan kecepatan sudut, Pm dan Pe berarti daya mekanik dan listrik untuk generator [5].
Dalam  penelitian  dilakukan  teknik  kendali turunan  agar  menentukan  laju  perubahan frekuensi. Selama perubahan tersebut, terjadinya selisih frekuensi yang berguna untuk masukan  kontrol vsg .  Pada  kontrol vsg digunakan  untuk  menyuplai  dan  menyimpan daya ke beban, jika sistem dalam keadaan tidak stabil maka dilakukan perbaikan frekuensi [6].

## 2.2 Microgrid
Microgrid didefinisikan  sebagai  kumpulan beban, distributed  generation ,  dan energy storage yang  saling  berhubungan. Microgrid dapat  menghubungkan  dan  memutus  jaringan listrik  untuk  dijalankan  baik  dalam  mode grid connected maupun islanded [7].  Tujuan microgrid adalah  untuk  menyalurkan  listrik secara  berkelanjutan,  ekonomis,  dan  aman dengan  teknologi  pemantauan,  kontrol,dan recovery yang cerdas [8].
Microgrid bekerja sama dengan sistem daya, sistem informasi, dan mampu memberikan daya kembali  ke  jaringan  yang  lebih  besar  selama kegagalan  jaringan  atau  pemadaman  listrik. Jaringan microgrid menjadi  lebih  sensitif disebabkan  kekurangan  inersia,  maka  ketika perubahan beban dapat mengakibatkan penyimpangan frekuensi sehingga dapat memperburuk stabilitas microgrid [9] .

## 3. METODE PENELITIAN

## 3.1. Tahapan Review
Tahapan review bertujuan untuk mempelajari  dan  mengumpulkan  literatur [10],    mengenai  pemodelan  dan  simulasi terkait virtual  synchronous  generator . Terdapat  beberapa  acuan  dalam  penelitian  ini yang membahas virtual synchronous generator , penelitian  oleh  Kenichi  Sakimoto et  al [11] yaitu mengevaluasi metode simulasi karakteristik transien generator sinkron menggunakan  persamaan  osilasi  untuk  mesin berputar dengan menggunakan inverter. Penelitian  oleh  Zhang  Xiaolin  [12]  yaitu metode  pengujian  untuk  inersia  berputar  dan
Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan (JITET) ISSN: 2303-0577
redaman generator sinkron virtual PV berdasarkan fungsi transfer frekuensi daya.

## 3.1.1. Gambar dan tabel
Parameter  VSG  yang  digunakan  dalam simulasi adalah sebagai berikut.
Tabel 1. Parameter Virtual Synchronous Generator Parameter Nilai Energy Storage 400 kW L 930 𝜇 H C 10 𝜇 F Beban Resistif 50 kW, 100 kW, 150 kW Inersia 12 kg/m 3

## 3.1.2. Rumus Matematika
Persamaan  matematika  untuk  membuat virtual synchronous generator terdiri dari swing equation,  frekuensi  power  controller,  voltage regulator seperti ditunjukkan berikut.

## 3.1.2.1 Swing equation
Fungsi rotor digambarkan dalam persamaan berikut.
𝑃𝑚 − 𝑃𝑒 = 𝐽𝜔 𝑑∆𝜔 𝑑𝑡 + 𝐷∆𝜔 (1)

## 3.1.2.2 Frequency control equation
Persamaan  matematikanya  adalah  sebagai berikut.
(𝑓 𝑟𝑒𝑓 − 𝑓)𝑘 𝑝 = 𝑃𝑚 (2)

## 3.1.2.3 Voltage regulator
Persamaan  matematikanya  adalah  sebagai berikut.
𝐸 = 𝑘 𝑞 (𝑄 𝑟𝑒𝑓 − 𝑄) + 𝑉 𝑟𝑚𝑠
(3)

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Struktur Sistem
Model  sistem  pengujian  dibangun  di
Matlab/Simulink. Berikut model sistem pengujian  ditunjukkan  pada  gambar  2  dan gambar 3.
Gambar. 2 Subsistem VSG
Gambar. 3 Model keseluruhan sistem di Matlab/Simulink
4.2 Studi Kasus
4.2.1  Skenario beban lepas sebesar 100 kW dan beban masuk sebesar 100 kW
(a)
(b)
Gambarr.  4  Skenario  beban  lepas  sebesar  100 kW dan beban masuk sebesar 100 kW  (a) Daya Aktif  (b) Frekuensi.
Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan (JITET) ISSN: 2303-0577
Skenario pertama menunjukkan dalam kondisi steady  state pada microgrid  islanded .  Dalam hal ini ketika DG melayani beban penuh sebesar 300 kW lalu pada waktu detik ke-5 beban lepas sebesar  100  kW  dan  saat  waktu  detik  ke-10 beban  terhubung  kembali  sebesar  100  kW. Hasilnya  ditunjukkan  pada  gambar  5,  terjadi perubahan frekuensi yang diakibatkan perubahan  kenaikan  beban  saat  detik  ke-5 sebesar  100  kW  mengakibatkan  frekuensi overshoot  sesaat  selama  0,05  detik  dari  nilai frekuensi 50 Hz menjadi 50,00000008 Hz dan detik ke-10 ketika beban masuk sebesar 100 kW mengakibatkan  frekuensi    sesaat  selama  0,06 detik  dari  nilai  frekuensi  50,00000008    Hz menjadi 50,0000001 Hz.
4.2.2    Skenario  beban  masuk  sebesar  100  kW dan beban masuk sebesar 150 kW
(a) (b)
Gambar. 5 Skenario beban masuk sebesar 100 kW dan beban masuk sebesar 150 kW (a) Daya Aktif  (b) Frekuensi.
Skenario  kedua  menunjukkan  dalam  kondisi steady  state pada microgrid  islanded. Saat kondisi  awal  DG  melayani  beban  sebesar  50 kW menjadi 100 kW, saat waktu 5 detik sampai 10  detik,  lalu  terjadi  penambahan  beban kembali saat detik 10 sebesar 150 kW. Hasilnya ditunjukkan  pada  gambar  6,  terjadi  perubahan frekuensi yang diakibatkan perubahan kenaikan
beban  saat  detik  ke-5  sebesar  100  kW mengakibatkan  frekuensi  jatuh  sesaat  selama 0,05  detik  dari  nilai  frekuensi  50  Hz  menjadi 49,999999  Hz  dan  detik  ke-10  ketika  beban masuk  sebesar  150  kW  mengakibatkan frekuensi  overshoot  sesaat  selama  0,07  detik dari nilai frekuensi 49,999999  Hz menjadi 50 Hz.
4.2.3  Skenario beban lepas sebesar 150 kW dan beban lepas sebesar 50 kW
(a)
(b)
Gambar.  6  Skenario  beban  lepas  sebesar  150 kW  dan  beban  lepas  sebesar  50  kW  (a)  Daya Aktif (b) Frekuensi.
Skenario  kedua  menunjukkan  dalam  kondisi steady  state pada microgrid  islanded. Saat kondisi  awal  DG  melayani  beban  sebesar  300 kW menjadi 150 kW saat waktu 5 detik sampai 10 detik. Lalu saat detik ke-10 beban sebesar 50 kW kembali lepas dari sistem menjadi 100 kW beban yang dilayani. Hasilnya ditunjukkan pada gambar  7,  terjadi  perubahan  frekuensi  yang diakibatkan  pelepasan  beban  sebesar  150  kW saat  detik  ke-5  sehingga  mengakibatkan frekuensi  overshoot  sesaat  selama  0,08  detik dari nilai frekuensi 50 Hz menjadi 50,00000015 Hz  dan  saat  detik  ke-10  terjadi  pelepasan kembali  sebesar  50  kW    mengakibatkan
Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan (JITET) ISSN: 2303-0577
frekuensi  drop  selama  0,06  detik  dari  nilai 50,00000015 Hz menjadi 50,0000001 Hz.

## 5. KESIMPULAN
Kesimpulan  yang  didapat  dari  penelitian  ini adalah sebagai berikut.
Virtual synchronous generator mampu mengkompensasi  kekurangan  inersia  ketika terjadi  beban  lepas  atau  beban  masuk  pada sistem microgrid dengan cara memberikan daya ketika kekurangan atau menyimpan daya ketika kelebihan  melalui energy  storage. Ketika keseimbangan antara permintaan dan pembangkitan sesuai maka kestabilan frekuensi sistem dapat tercapai.

## DAFTAR PUSTAKA (REFERENCE)
[1]  S.  S.  Thale,  R.  G.  Wandhare,  and  V. Agarwal,  “A  Novel  Reconfigurable Microgrid  Architecture  With  Renewable Energy  Sources  and  Storage,” IEEE Trans. Ind. Appl. , vol. 51, no. 2, pp. 1805–
1816, 2015, doi:
10.1109/TIA.2014.2350083.
[2]  B. Benjamin, B. Johnson, P. Denholm, and B. Hodge, “Achieving a 100% Renewable Grid,” no. April, pp. 61–73, 2017.
[3]  K. R. Vasudevan,
V. K. Ramachandaramurthy, T. S. Babu, and A. Pouryekta, “Synchronverter:
A
Comprehensive Review of Modifications,
Stability  Assessment,  Applications  and Future Perspectives,” IEEE Access , vol. 8, pp. 131565–131589, 2020.
[4]  H. Bevrani, T. Ise, and Y. Miura, “Virtual synchronous  generators:  A  survey  and new  perspectives,” Int.  J.  Electr.  Power Energy Syst. , vol. 54, pp. 244–254, 2014, doi: 10.1016/j.ijepes.2013.07.009.
[5]  P.  Kundur,  “Power  System  Stability  And Control  by  Prabha  Kundur,” McGraw- Hill, Inc . McGraw-Hill, New York, 1994.
[6]  T. Kerdphol, M. Watanabe, K.
Hongesombut,  and  Y.  Mitani,  “Self- Adaptive  Virtual  Inertia  Control-Based
Fuzzy  Logic  to  Improve  Frequency Stability of Microgrid with High
Renewable  Penetration,” IEEE  Access , vol.  7,  no.  June,  pp.  76071–76083, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2920886.
[7]  B. Yu, J. Guo, C. Zhou, Z. Gan, J. Yu, and F.  Lu,  “A  Review  on  Microgrid Technology  with  Distributed  Energy,” IEEE Access , no. May, pp. 143–146, 2017.
[8]  F.  Katiraei  and  M.  R.  Iravani,  “Power management  strategies  for  a  microgrid with  multiple  distributed  generation units,” IEEE Trans. Power Syst. , vol. 21, no.  4,  pp.  1821–1831,  2006,  doi: 10.1109/TPWRS.2006.879260.
[9]  J.  Liu  and  Y.  Miura,  “Comparison  of
Dynamic Characteristics Between Virtual Synchronous Generator and Droop Control  in  Inverter-Based  Distributed Generators,” IEEE Access , no. May, 2016.
[10] Putri, D. D., Nama, G. F., & Sulistiono, W. E.  (2022).  Analisis  Sentimen  Kinerja Dewan  Perwakilan  Rakyat  (DPR)  Pada Twitter  Menggunakan  Metode  Naive Bayes  Classifier.  Jurnal  Informatika  dan Teknik Elektro Terapan, 10(1).
[11]  K.  Sakimoto,  Y.  Miura,  and  T.  Ise, “Stabilization of a power system including inverter-type  distributed  generators  by  a virtual  synchronous  generator,” Electr. Eng. Japan (English Transl. Denki Gakkai Ronbunshi) ,  vol.  187,  no.  3,  pp.  7–17, 2014, doi: 10.1002/eej.22426.
[12]  X. Zhang, W. Dong, G. Yao, and J. Zhang, “Test Method for Inertia and Damping of Photovoltaic
Virtual Synchronous
Generator Based on Power Angle Transfer Function,” 2nd  IEEE  Conf.  Energy Internet  Energy  Syst.  Integr.  EI2  2018  - Proc. , 2018.