Nonlinear Virtual Inertia Control of WTGs for Enhancing Primary Frequency Response and Suppressing Drive-Train Torsional Oscillations

यहाँ IEEE Transactions on Power Systems (2020) में प्रकाशित शोध पत्र "Nonlinear Virtual Inertia Control of WTGs for Enhancing Primary Frequency Response and Suppressing Drive-Train Torsional Oscillations" का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

पावर सिस्टम में विंड टर्बाइन जनरेटरों (WTGs) की बढ़ती पैठ के साथ, समग्र सिस्टम जड़त्व (inertia) कम हो रहा है, जिससे ग्रिड आवृत्ति अस्थिरता (frequency instability) के प्रति अधिक संवेदनशील हो रहा है। जबकि WTGs से जड़त्व का अनुकरण करने के लिए वर्चुअल इनरशिया कंट्रोल (VIC) विकसित किया गया है, मौजूदा विधियाँ कई महत्वपूर्ण सीमाओं से ग्रस्त हैं:

• ड्राइव-ट्रेन टॉर्सनल ऑसिलेशन (Drive-Train Torsional Oscillations): पारंपरिक VICs अक्सर विद्युत चुम्बकीय टॉर्क (electromagnetic torque) में अचानक बदलाव के कारण WTG ड्राइव-ट्रेन में निम्न-आवृत्ति वाले टॉर्सनल ऑसिलेशन उत्पन्न करते हैं, जिससे संभावित रूप से टर्बाइन का सेवा जीवन कम हो सकता है।
• द्वितीयक आवृत्ति गिरावट (Secondary Frequency Dips): फ्रीक्वेंसी सपोर्ट मोड से वापस सामान्य मैक्सिमम पावर पॉइंट (MPP) ट्रैकिंग पर संक्रमण के कारण बिजली उत्पादन में तीव्र कमी आ सकती है, जिससे द्वितीयक आवृत्ति गिरावट होती है।
• अनुकूलन क्षमता का अभाव (Lack of Adaptability): मौजूदा नियंत्रक अक्सर बदलते हवा के वेग और ऑपरेटिंग रोटर गति को ध्यान में रखने में विफल रहते हैं। इससे कम हवा के वेग पर रोटर की गति अत्यधिक कम हो सकती है (स्टाल या नियंत्रण खोने का जोखिम) या उच्च हवा के वेग पर अपर्याप्त गतिज ऊर्जा (kinetic energy) रिलीज हो सकती है।
• समन्वय संबंधी मुद्दे (Coordination Issues): कई WTGs के बीच फ्रीक्वेंसी सपोर्ट पावर वितरण को समन्वित करने के लिए प्रभावी रणनीतियों की कमी है।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखकों ने ऑब्जेक्टिव होलोग्राफिक फीडबैक थ्योरी (OHFT) पर आधारित एक नॉनलीनियर वर्चुअल इनरशिया कंट्रोल रणनीति प्रस्तावित की है। कार्यप्रणाली में तीन मुख्य चरण शामिल हैं:

A. सैद्धांतिक आधार (OHFT)

यह शोध पत्र मूल नॉनलीनियर नियंत्रण समस्या को पूरी तरह से नियंत्रणीय ब्रुनोव्स्की सिस्टम (Brunsky system) में बदलने के लिए OHFT का उपयोग करता है।

• सिस्टम को टर्बइन की गति ($\omega_t$), जनरेटर की गति ($\omega_g$), शाफ्ट टॉर्सनल कोण ($\theta_{sh}$), और ग्रिड फ्रीक्वेंसी विचलन ($\Delta\omega$) सहित स्टेट वेरिएबल्स के साथ मॉडल किया गया है।
• विशिष्ट आउटपुट वेरिएबल्स को परिभाषित करके और 'ली डेरिवेटिव्स' (Lie derivatives) लागू करके, नॉनलीनियर सिस्टम को एक ऐसे रूप में लीनियर किया जाता है जहाँ स्थिरता और प्रदर्शन सुनिश्चित करने के लिए लीनियर क्वाड्रेटिक ऑप्टिमल कंट्रोल (LQOC) लागू किया जा सके।

B. नियंत्रण रणनीति डिजाइन (Single WTG)

प्रस्तावित VIC तीन अलग-अलग घटकों का उपयोग करके संदर्भ विद्युत चुम्बकीय शक्ति ($P_{ref}$) को संशोधित करता है:

1. नॉनलीनियर स्टेट फीडबैक (Nonlinear State Feedback): OHFT-आधारित ब्रुनोव्स्की सिस्टम से प्राप्त, यह घटक टॉर्सनल ऑसिलेशन को दबाने और फ्रीक्वेंसी को नियंत्रित करने के लिए एक कंट्रोल सिग्नल ($u$) उत्पन्न करता है। इसे VIC इंटरफेस आउटपुट ($u'$) में परिवर्तित किया जाता है।
2. रोटर स्पीड डिपेंडेंट फंक्शन ($f(\omega_g)$): यह फंक्शन वर्तमान रोटर गति के आधार पर कंट्रोल आउटपुट को स्केल करता है।
   • उच्च गति (High Speed): अधिक गतिज ऊर्जा जारी करने के लिए पावर इनक्रीमेंट को बढ़ाता है।
   • कम गति (Low Speed): रोटर की गति को न्यूनतम परिचालन सीमा से नीचे गिरने से रोकने के लिए पावर इनक्रीमेंट को कम करता है, जिससे पावर कटऑफ के कारण होने वाली द्वितीयक आवृत्ति गिरावट से बचा जा सके।
3. टाइम-वेरिंग फंक्शन ($g(t)$): यह फंक्शन फ्रीक्वेंसी सपोर्ट और रोटर स्पीड रिकवरी के बीच संक्रमण का प्रबंधन करता है।
   • यह मोड के बीच एक सुचारू स्विच सुनिश्चित करता है, जिससे तात्कालिक पावर जंप्स रुकते हैं जो टॉर्सनल ऑसिलेशन का कारण बनते हैं।
   • यह रोटर की गति को मूल MPP बिंदु पर तेजी से और सुचारू रूप से वापस लाने की सुविधा प्रदान करता है।

C. कई WTGs तक विस्तार

नियंत्रण को $N$ टर्बाइनों के लिए एक मल्टी-इनपुट ब्रुनोव्स्की सिस्टम बनाकर WTG बेड़े (fleet) तक विस्तारित किया गया है:

• प्रत्येक टर्बाइन के लिए उसके प्रारंभिक सक्रिय पावर आउटपुट ($P_{e0,i}$) के आधार पर एक पार्टिसिपेटिंग फैक्टर ($pf_i$) की गणना की जाती है। यह सुनिश्चित करता है कि उच्च प्रारंभिक उत्पादन (और इस प्रकार अधिक उपलब्ध गतिज ऊर्जा) वाले टर्बाइन फ्रीक्वेंसी सपोर्ट में आनुपातिक रूप से अधिक योगदान दें।

3. प्रमुख योगदान (Key Contributions)

1. नवीन नॉनलीनियर फॉर्मूलेशन: OHFT पर आधारित एक VIC का व्युत्पन्न जो नॉनलीनियर कंट्रोल को एक नियंत्रणीय लीनियर सिस्टम में बदल देता है, जिससे एक साथ कई नियंत्रण उद्देश्यों को सटीक रूप से पूरा करना संभव होता है।
2. टॉर्सनल ऑसिलेशन का दमन: यह विधि ड्राइव-ट्रेन के निम्न-आवृत्ति वाले ऑसिलेशन को प्रभावी ढंग से कम करती है, जो पारंपरिक VICs की एक बड़ी कमी को संबोधित करती है।
3. अनुकूली पावर रेगुलेशन (Adaptive Power Regulation): टाइम-वेरिंग और रोटर-स्पीड-डिपेंडेंट फंक्शन्स का परिचय यह अनुमति देता है कि नियंत्रक हवा की गति और ऑपरेटिंग पॉइंट्स के आधार पर पावर सपोर्ट को स्वचालित रूप से समायोजित कर सके, जिससे द्वितीयक फ्रीक्वेंसी डिप्स को रोका जा सके और कम हवा के वेग पर सुरक्षित संचालन सुनिश्चित हो सके।
4. समन्वित मल्टी-टर्बाइन कंट्रोल: कई WTGs के बीच फ्रीक्वेंसी सपोर्ट पावर वितरित करने के लिए एक समाधान, जो सिस्टम फ्रीक्वेंसी नादिर (nadir) को बढ़ाने के लिए सामूहिक प्रतिक्रिया को अनुकूलित करता है।

4. सिमुलेशन परिणाम (Simulation Results)

प्रस्तावित विधि को MATLAB/Simulink में एक टेस्ट सिस्टम का उपयोग करके मान्य किया गया, जिसमें इसकी तुलना एक पारंपरिक VIC और एक संशोधित VIC-I (टाइम-वेरिंग कोएफिशिएंट्स के साथ) से की गई।

• फ्रीक्वेंसी रिस्पॉन्स: प्रस्तावित VIC ने मौजूदा विधियों की तुलना में काफी उच्च फ्रीक्वेंसी नादिर (न्यूनतम फ्रीक्वेंसी बिंदु) प्राप्त किया, विशेष रूप से उच्च हवा की गति की स्थिति में।
• टॉर्सनल ऑसिलेशन: जहाँ पारंपरिक और संशोधित VICs स्पष्ट निम्न-आवृत्ति टॉर्सनल ऑसिलेशन (लगभग 1.45 Hz) प्रदर्शित करते हैं, वहीं प्रस्तावित विधि इन ऑसिलेशन को प्रभावी ढंग से दबा देती है।
• रोटर स्पीड रिकवरी: प्रस्तावित VIC ने रोटर की गति को पूर्व-डिस्टर्बेंस MPP बिंदु पर सबसे तेज़ और सुचारू रूप से रिकवर करने में सक्षम बनाया। इसने उस "द्वितीयक फ्रीक्वेंसी डिप" से बचने में सफलता प्राप्त की जो अन्य विधियों में देखी गई थी, जहाँ अन्य नियंत्रक गति रिकवर करने के लिए अचानक पावर को काट देते थे।
• हवा की गति के प्रति मजबूती (Wind Speed Robustness):
  • उच्च हवा की गति: बेहतर फ्रीक्वेंसी सपोर्ट के लिए अधिकतम गतिज ऊर्जा रिलीज को अधिकतम किया।
  • कम हवा की गति: रोटर की गति को सुरक्षा दहलीज (0.71 pu) से नीचे गिरने से रोकने के लिए पावर रिलीज को सीमित किया, जिससे स्थिरता बनी रही जहाँ अन्य विधियाँ विफल रहीं।
• एकाधिक WTGs: तीन WTGs (60% पेनिट्रेशन) वाले परिदृश्य में, समन्वित नियंत्रण ने उपलब्ध गतिज ऊर्जा के आधार पर लोड को सफलतापूर्वक वितरित किया, जिसके परिणामस्वरूप सर्वश्रेष्ठ समग्र सिस्टम फ्रीक्वेंसी प्रदर्शन प्राप्त हुआ।

5. महत्व (Significance)

यह शोध पत्र नवीकरणीय ऊर्जा एकीकरण के एक महत्वपूर्ण अंतर को संबोधित करता है: तेज़ फ्रीक्वेंसी सपोर्ट प्रदान करने और विंड टर्बाइनों की मैकेनिकल अखंडता बनाए रखने के बीच का संतुलन।

• सिस्टम सुरक्षा: फ्रीक्वेंसी नादिर में सुधार करके और द्वितीयक डिप्स को रोककर, यह विधि उच्च नवीकरणीय पैठ वाले पावर सिस्टम की स्थिरता को बढ़ाती है।
• संपत्ति संरक्षण (Asset Protection): ड्राइव-ट्रेन टॉर्सनल ऑसिलेशन को दबाकर, यह विधि मैकेनिकल स्ट्रेस को कम करती है, जिससे संभावित रूप से WTGs के परिचालन जीवन को बढ़ाया जा सकता है और रखरखाव लागत कम की जा सकती है।
• परिचालन लचीलापन: नियंत्रक की अनुकूलन क्षमता यह सुनिश्चित करती है कि विंड फार्म हवा की विभिन्न स्थितियों में सुरक्षित रूप से फ्रीक्वेंसी सपोर्ट प्रदान कर सकें, जिससे वर्चुअल इनरशिया भविष्य के स्मार्ट ग्रिड के लिए एक अधिक व्यवहार्य और विश्वसनीय समाधान बन जाता है।