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Autonomous and Distributed Synchronization and Restoration of an Islanded Network of Microgrids

यह शोध पत्र एक संशोधित IEEE 123-बस सिस्टम पर उच्च-सटीकता वाले सिमुलेशन के माध्यम से सिंक्रोनाइज़ेशन अस्थिरता और विनियमन चुनौतियों को प्रभावी ढंग से संबोधित करते हुए, डिस्ट्रीब्यूटेड-एवरेजिंग प्रोपोर्शनल-इंटीग्रल (DAPI) नियंत्रण का उपयोग करके माइक्रोग्रिड के आइलैंडेड नेटवर्क के लिए एक स्वायत्त, वितरित सिंक्रोनाइज़ेशन और बहाली योजना प्रस्तावित और मान्य करता है।

मूल लेखक: Ahmed Saad Al-Karsani, Maryam Khanbaghi

प्रकाशित 2026-02-13

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Ahmed Saad Al-Karsani, Maryam Khanbaghi

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि पावर ग्रिड एक विशाल, एकल हाईवे नहीं है, बल्कि छोटे, स्वतंत्र समुदायों का एक मोहल्ला है जिन्हें माइक्रोग्रिड (Microgrids) कहा जाता है। ये समुदाय अपने आप भी चल सकते हैं (जैसे जनरेटर के साथ एक घर) या बड़े शहर के ग्रिड से जुड़ सकते हैं।

अब, कल्पना कीजिए कि शहर में एक बड़ा ब्लैकआउट (बिजली गुल होना) होता है। मुख्य ग्रिड अंधेरे में डूब जाता है। इन माइक्रोगिड्स को जागना होगा, अपने स्वयं के जनरेटर शुरू करने होंगे और—सबसे महत्वपूर्ण बात—एक बड़े, अधिक मजबूत "माइक्रोग्रिड नेटवर्क" (NMG) को बनाने के लिए एक-दूसरे के साथ हाथ मिलाने और फिर से जुड़ने का सीखना होगा, ताकि कोई अराजक दुर्घटना न हो।

यह शोध पत्र इन डिजिटल पावर जनरेटरों को यह सिखाने के बारे में है कि वे बिना किसी मानव संचालक (human conductor) के, स्वायत्त रूप से (autonomously) और सुरक्षित रूप से यह नृत्य कैसे करें।

यहाँ उनके समाधान का विवरण दिया गया, जिसमें रोजमर्रा के उपमाओं का उपयोग किया गया है:

1. समस्या: "अनाथ" जनरेटर

जब मुख्य ग्रिड बंद हो जाता है, तो ये माइक्रोग्रिड द्वीपों की तरह अलग-थलग पड़ जाते हैं। उन्हें शून्य से शुरुआत करनी होती है (जिसे "ब्लैक स्टार्ट" कहा जाता है)।

चुनौती: इन जनरेटरों को नर्तकों के रूप में सोचें। यदि वे अकेले नाचना शुरू करते हैं, तो वे एक-दूसरे के साथ तालमेल से थोड़ा बाहर हो सकते हैं। यदि वे जुड़ने (अपने सर्किट को जोड़ने) की कोशिश करते हैं जबकि एक तेज़ घूम रहा है और दूसरा धीमा है, या यदि वे अलग-अलग दिशाओं में देख रहे हैं, तो वे लड़खड़ा जाएंगे, गिर जाएंगे और उपकरण टूट जाएंगे।
पुराना तरीका: आमतौर पर, आपको एक केंद्रीय "बॉस" (सुपरवाइजरी कंट्रोल) की आवश्यकता होती है जो सबको बताता है कि कब शुरू करना है और कब जुड़ना है। लेकिन यदि बॉस का फोन लाइन कट जाए, तो पूरा सिस्टम विफल हो जाता है।
जोखिम: यदि वे बहुत जल्दी या बहुत झटके के साथ जुड़ते हैं, तो इससे "पावर सर्ज" (जैसे अचानक लगने वाला झटका) होता है जो पूरे नेटवर्क को अस्थिर कर सकता है।

2. समाधान: "DAPI" टीमवर्क एल्गोरिदम

लेखक एक नया तरीका प्रस्तावित करते हैं जिससे ये जनरेटर DAPI (डिस्ट्रिब्यूटेड-एवरेजिंग प्रोपोर्शनल-इंटिग्रल) नामक विधि का उपयोग करके एक-दूसरे से बात कर सकते हैं।

उपमा: हाइकर्स (पदयात्रियों) का एक समूह
कल्पना कीजिए कि कोहरे से भरे जंगल (अलग-थलग पड़ा नेटवर्क) में हाइकर्स का एक समूह रास्ता भटक गया है। उन्हें एक विशिष्ट स्थान पर मिलना है और एक साथ पूरी लय में चलना शुरू करना है।

कोई नेता नहीं: कोई एक अकेला नेता आदेश देने के लिए नहीं है।
पड़ोसी फुसफुसाहट: प्रत्येक हाइकर केवल अपने ठीक बगल में खड़े लोगों से बात करता है।
लक्ष्य: वे एक ही गति (फ्रीक्वेंसी) और एक ही दिशा (फेज़) पर सहमत होना चाहते हैं।
यह कैसे काम करता है: यदि हाइकर A बहुत तेज़ चल रहा है, तो वह हाइकर B और हाइकर C की बात सुनता है। वे अपनी गति का औसत निकालते हैं और धीरे-धीरे धीमे हो जाते हैं। यदि हाइकर A उत्तर की ओर देख रहा है लेकिन हाइकर B पूर्व की ओर देख रहा है, तो वे धीरे-धीरे तब तक मुड़ते हैं जब तक कि वे सभी एक ही दिशा में न हों।

यह "फुसफुसाहट" इनवर्टर (वे उपकरण जो बैटरी पावर को ग्रिड पावर में बदलते हैं) के बीच इलेक्ट्रॉनिक रूप से होती है। यह सुनिश्चित करता है कि तारों को छूने से पहले, वे पहले से ही पूर्ण सामंजस्य में हों।

3. "सॉफ्ट स्टार्ट" और "ग्रीन लाइट"

यह शोध पत्र एक तीन-चरणीय सुरक्षा प्रोटोकॉल का वर्णन करता है:

सॉफ्ट स्टार्ट (जागना):
जब बिजली बंद होती है, तो जनरेटर बस चालू नहीं हो जाते। वे धीरे-धीरे अपने वोल्टेज को बढ़ाते हैं, जैसे रेडियो की आवाज़ को बहुत धीरे-धीरे बढ़ाना ताकि वह आपके कानों में ज़ोर से न लगे। वे पहले अपने छोटे से द्वीप को स्थिर करते हैं।
"सिंक चेक" (ट्रैफिक लाइट):
दो माइक्रोग्रिड जुड़ने से पहले, वे एक डिजिटल जांच चलाते हैं।

क्या हमारी गति एक समान है? (फ्रीक्वेंसी)
क्या हमारा वोल्टेज एक समान है? (वोल्टेज)
क्या हम एक ही दिशा में देख रहे हैं? (फेज़)

लेखक इन नियमों को अत्यंत सख्त रखते हैं। जहाँ मानक नियम 10% के अंतर की अनुमति दे सकते हैं, वहीं उनकी प्रणाली 1% से भी कम की मांग करती है। यह एक रेस कार ड्राइवर की तरह है जो लेन में शामिल होने से पहले कार के बिल्कुल समानांतर होने का इंतज़ार करता है, बजाय इसके कि वह केवल "लगभग सही" होने पर ही आगे बढ़ जाए।

डिस्ट्रिब्यूटेड "ऑल क्लियर" (हैंडशेक):
यही सबसे चतुर हिस्सा है। एक ब्रेकर (वह स्विच जो ग्रिड को जोड़ता है) तब तक बंद नहीं होगा जब तक कि दोनों पक्ष सहमत न हों।

माइक्रोग्रिड A अपनी स्थिति की जांच करता है।
माइक्रोग्रिड A, माइक्रोग्रिड B से पूछता है, "क्या आप तैयार हैं?"
यदि माइक्रोग्रिड B कहता है "हाँ," और माइक्रोग्रिड A कहता है "हाँ," तभी स्विच क्लिक होता है।
यह एक डबल-चेक सिस्टम है। यदि एक पक्ष भ्रमित है या संचार लाइन टूटी हुई है, तो स्विच खुला रहता है। किसी को नुकसान नहीं पहुँचता।

4. सिमुलेशन: एक डिजिटल क्रैश टेस्ट

इसे सिद्ध करने के लिए, लेखकों ने एक वास्तविक दुनिया के पावर सिस्टम (जो प्रसिद्ध IEEE 123-बस सिस्टम पर आधारित है, जो शहर की बिजली लाइनों का एक जटिल मानचित्र है) का एक विशाल डिजिटल मॉडल बनाया।

उन्होंने ब्लैकआउट से जागते हुए 7 अलग-अलग माइक्रोग्रिड्स का सिमुलेशन किया।
उन्होंने देखा कि वे आपस में कैसे बात करते हैं, अपनी गति को कैसे समायोजित करते हैं, और अंततः कैसे एक साथ जुड़ते हैं।
परिणाम: यह पूरी तरह से काम कर गया। सिस्टम स्थिर हो गया, इसने बिजली के भार को समान रूप से साझा किया (जैसे दोस्तों का एक भारी बॉक्स को मिलकर उठाना), और बिना किसी क्रैश के बत्तियाँ जलाए रखीं।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

भविष्य में, जैसे-जैसे हम सौर पैनलों और बैटरी (जिनमें पुराने पावर प्लांट की तरह भारी घूमने वाले हिस्से नहीं होते) पर अधिक निर्भर होंगे, ग्रिड अधिक नाजुक हो जाएगा।

लचीलापन (Resilience): यदि कोई तूफान मुख्य ग्रिड को ठप कर देता है, तो ये माइक्रोग्रिड अपने आप जाग सकते हैं, एक-दूसरे को ढूंढ सकते हैं, और एक नया, अस्थायी पावर ग्रिड बना सकते हैं।
विफलता का कोई एकल बिंदु नहीं: क्योंकि वे एक केंद्रीय बॉस पर निर्भर नहीं हैं, यदि एक कंप्यूटर विफल हो जाता है, तो अन्य अभी भी बात कर सकते हैं और बिजली चालू रख सकते हैं।

संक्षेप में: यह शोध पत्र डिजिटल पावर जनरेटरों को एक अच्छी तरह से समन्वित टीम बनने की शिक्षा देता है, जो तारों को छूने से पहले एक-दूसरे के साथ तालमेल बिठाने के लिए अपने पड़ोसियों से फुसफुसाते हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि जब लाइट चली जाए, तो वे बिना किसी आपदा के खुद को वापस चालू कर सकें।

यहाँ "Autonomous and Distributed Synchronization and Restoration of an Islanded Network of Microgrids" नामक शोध पत्र का विस्तृत तकनीकी सारांश दिया गया है।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

नवीकरणीय ऊर्जा की ओर संक्रमण ने इनवर्टर-आधारित संसाधनों (IBRs) के प्रसार और माइक्रोग्रिड के नेटवर्कों (NMGs) के निर्माण को जन्म दिया है। जबकि NMGs बढ़ी हुई लचीलापन (resilience) प्रदान करते हैं, उनका आइसलैंड मोड (islanded mode) में संचालन महत्वपूर्ण चुनौतियाँ प्रस्तुत करता है:

जड़त्व की कमी (Lack of Inertia): पारंपरिक सिंक्रोनस मशीनों (SMs) के विपरीत, IBRs में घूर्णी जड़त्व (rotational inertia) की कमी होती है, जिससे वे विक्षोभों (disturbances) के प्रति अत्यधिक संवेदनशील और अस्थिरता के प्रति प्रवृत्त हो जाते हैं।
सिंक्रोनाइज़ेशन अस्थिरता (Synchronization Instability): बिजली की बहाली (ब्लैक स्टार्ट) और आइसोलेटेड माइक्रोग्रिड (MGs) को पुन: जोड़ने के लिए सटीक सिंक्रोनाइज़ेशन की आवश्यकता होती है। पॉइंट ऑफ कॉमन कपलिंग (PCC) पर वोल्टेज, फ्रीक्वेंसी या फेज में छोटे विचलन भी इनरश करंट (inrush currents) और स्मॉल-सिग्नल अस्थिरता का कारण बन सकते हैं।
अपर्याप्त विनियमन (Inadequate Regulation): मौजूदा सेकेंडरी-लेवल नियंत्रण योजनाएं अक्सर कमजोर, आइसोलेटेड ग्रिड में वोल्टेज विनियमन और रिएक्टिव पावर शेयरिंग के बीच के संतुलन (trade-offs) को संबोधित करने में विफल रहती हैं।
मॉडलिंग अंतराल (Modeling Gaps): उच्च-विश्वसनीयता वाले, बड़े पैमाने के सिमुलेशन मॉडल की कमी है जो यथार्थवादी असंतुलित वितरण प्रणालियों और विस्तृत IBR डायनेमिक्स को शामिल करते हों।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखक डिस्ट्रीब्यूटेड-एवरेजिंग प्रोपोर्शनल-इंटीग्रल (DAPI) नियंत्रण का उपयोग करते हुए एक व्यापक स्वायत्त और वितरित सिंक्रोनाइज़ेशन और बहाली योजना प्रस्तावित करते हैं। कार्यप्रणाली इस प्रकार है:

A. सिस्टम मॉडलिंग (System Modeling)

टेस्ट सिस्टम: MATLAB®/Simulink® में एक संशोधित, असंतुलित IEEE 123-बस टेस्ट फीडर का एक हाई-फिडेलिटी मॉडल बनाया गया।
टोपोलॉजी: सिस्टम मुख्य ग्रिड से अलग है और इसमें 7 माइक्रोग्रिड (MGs) शामिल हैं, जिनमें से प्रत्येक में एक सिंगल ग्रिड-फॉर्मिंग (GFM) IBR लगा है जो बैटरी एनर्जी स्टोरेज सिस्टम (BESS) से जुड़ा है।
नियंत्रण पदानुक्रम (Control Hierarchy):
- प्राइमरी लेवल: पावर और फ्रीक्वेंसी/वोल्टेज के बीच एक रैखिक संबंध स्थापित करने के लिए ड्रॉप कंट्रोल ( $P-f$ और $Q-V$ )।
- सेकेंडरी लेवल: फ्रीक्वेंसी और वोल्टेज में स्टेडी-स्टेट एरर को समाप्त करने और पावर शेयरिंग सुनिश्चित करने के लिए DAPI कंट्रोल का उपयोग किया जाता है।
- फेज कंसेंसस (Phase Consensus): एक नवीन फेज सिंक्रोनाइज़ेशन डायनेमिक (Eq. 8) पेश किया गया है जहाँ IBRs कनेक्शन से पहले फेज को संरेखित करने के लिए अपने पड़ोसियों के साथ फेज एंगल सूचना ( $\theta$ ) का आदान-प्रदान करते हैं।

B. नियंत्रण रणनीति (Control Strategy)

ब्लैक स्टार्ट और सॉफ्ट-स्टार्ट: प्रत्येक MG एक स्वायत्त सॉफ्ट-स्टार्ट करता है, जिसमें वोल्टेज को 0.5 सेकंड में सेटपॉइंट ( $480\sqrt{2}/\sqrt{3}$ V) तक बढ़ाया जाता है।
विकेंद्रीकृत विनियमन (Decentralized Regulation): शुरुआत में, संचार लिंक अक्षम ( $a_{ij}=0$ ) होते हैं, जिससे प्रत्येक MG फ्रीक्वेंसी और वोल्टेज को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित करता है।
डिस्ट्रीब्यूटेड सिंक्रोनाइज़ेशन लॉजिक:
- लोकल चेक: प्रत्येक IBR स्थानीय फ्रीक्वेंसी ( $\Delta \omega$ ), वोल्टेज ( $\Delta V$ ), और फेज ( $\Delta \theta$ ) के विचलन की निगरानी करता है।
- नेबर चेक: IBRs भौतिक रूप से जुड़े अपने पड़ोसियों के साथ सिंक्रोनाइज़ेशन स्थिति का आदान-प्रदान करते हैं।
- ब्रेकर लॉजिक: एक टू-स्टेज AND गेट लॉजिक (Fig. 2-4) यह सुनिश्चित करता है कि ब्रेकर तभी बंद (close) होगा जब दोनों स्थानीय और पड़ोसी सिंक्रोनाइज़ेशन चेक पास हो जाएं। यह एक रिडंडेंसी के रूप में कार्य करता है ताकि जब तक सभी शर्तें पूरी न हों, तब तक पूरे NMG में एक साथ ब्रेकर क्लोजर न हो।
कनेक्शन के बाद विनियमन (Post-Connection Regulation): एक बार जुड़ जाने के बाद, सक्रिय शक्ति (रेटेड क्षमता के आधार पर) साझा करने और पूरे NMG में फ्रीक्वेंसी/वोल्टेज को विनियमित करने के लिए DAPI कंट्रोल पूरी तरह से सक्रिय हो जाता है।

3. प्रमुख योगदान (Key Contributions)

लीडरलेस फेज सिंक्रोनाइज़ेशन: एक वितरित, लीडरलेस फेज कंसेंसस स्कीम का कार्यान्वयन जो IBRs को केंद्रीय सुपरवाइजरी कंट्रोलर के बिना स्वायत्त रूप से सिंक्रोनाइज़ होने की अनुमति देता है।
एकीकृत बहाली योजना (Integrated Restoration Scheme): एक एकीकृत दृष्टिकोण जो सॉफ्ट-स्टार्ट, सिंक्रोनाइज़ेशन, कनेक्शन और रेगुलेशन को एक साथ संभालता है, जो कमजोर आइसोलेटेड ग्रिड की विशिष्ट चुनौतियों को संबोधित करता है।
हाई-फिडेलिटी वैलिडेशन: प्रस्ताव को विस्तृत इलेक्ट्रोमैग्नेटिक ट्रांजिएंट (EMT) सिमुलेशन का उपयोग करके एक बड़े पैमाने के, असंतुलित NMG मॉडल (7 MGs, IEEE 123-bus) पर मान्य किया गया है, जो सरलीकृत स्टैटिक पावर फ्लो अध्ययनों से आगे बढ़ता है।
सख्त सिंक्रोनाइज़ेशन मानदंड: लेखक कमजोर आइसोलेटेड नेटवर्क में स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए IEEE 1547-2018 मानकों से अधिक सख्त सिंक्रोनाइज़ेशन टॉलरेंस (जैसे, $|\Delta f| < 0.01$ Hz बनाम 0.1 Hz) का प्रस्ताव करते हैं।

4. सिमुलेशन परिणाम (Simulation Results)

सिमुलेशन MATLAB®/Simulink® में 10 सेकंड की विंडो में किया गया था:

ब्लैक स्टार्ट (0–3s): प्रत्येक MG ने सफलतापूर्वक सॉफ्ट-स्टार्ट किया। विकेंद्रीकृत सेकेंडरी कंट्रोल ने फ्रीक्वेंसी और वोल्टेज को सेटपॉइंट्स ( $f^*=60$ Hz, $V^*=$ सेटपॉइंट) तक विनियमित किया।
सिंक्रोनाइज़ेशन (t=3s): लोकल और नेबर चेक पास हो गए। डिस्ट्रिब्यूटेड लॉजिक ने ब्रेकर क्लोजर को ट्रिगर किया।
स्टेडी स्टेट (t>4s):
- फ्रीक्वेंसी: सभी MGs 60 Hz पर सिंक्रोनाइज़ हो गए।
- पावर शेयरिंग: सक्रिय शक्ति को IBRs के बीच उनकी रेटिंग के आधार पर समान रूप से साझा किया गया।
- वोल्टेज/रिएक्टिव पावर: वोल्टेज विचलन गेन ( $\xi$ ) 0.05 के साथ, सिस्टम ने एक ऐसा ट्रेड-ऑफ प्राप्त किया जहाँ वोल्टेज सेटपॉइंट के $\pm 5\%$ के भीतर रहा, जबकि रिएक्टिव पावर साझा की गई। DAPI के बिना, रिएक्टिव पावर सर्कुलेशन देखा गया था।
स्थिरता विश्लेषण (Stability Analysis): सिस्टम 11.1 ms के कंट्रोल टाइम स्टेप के साथ स्थिर रहा। हालांकि, टाइम स्टेप को बढ़ाकर 22.2 ms करने से क्लोजर के बाद अस्थिरता देखी गई, जो मजबूत नियंत्रण या तेज़ संचार (जैसे, IEC 61850 GOOSE) की आवश्यकता को रेखांकित करता है।

5. महत्व (Significance)

लचीलापन (Resilience): प्रस्तावित योजना NMGs को बाहरी ग्रिड सहायता या केंद्रीकृत नियंत्रण पर निर्भर रहे बिना ब्लैकआउट से स्वायत्त रूप से उबरने में सक्षम बनाती है, जो आपदा राहत और दूरस्थ क्षेत्रों के लिए महत्वपूर्ण है।
स्केलेबिलिटी (Scalability): DAPI कंट्रोल और कंसेंसस लॉजिक की वितरित प्रकृति यह सुनिश्चित करती है कि सिस्टम सिंगल पॉइंट ऑफ फेल्योर के बिना अच्छी तरह से स्केल हो सके।
व्यावहारिकता (Practicality): एक हाई-फिडेलिटी असंतुलित मॉडल का उपयोग करके और संचार विलंब (communication delays) को संबोधित करके, यह अध्ययन सैद्धांतिक नियंत्रण डिजाइन और वास्तविक दुनिया के वितरण प्रणाली कार्यान्वयन के बीच के अंतर को पाटता है।
भावी दिशाएँ (Future Directions): यह कार्य लंबे टाइम स्टेप और संचार विफलताओं को संभालने के लिए मजबूत नियंत्रण रणनीतियों, साथ ही कनेक्शन प्रक्रिया के दौरान असंतुलित लोड को बेहतर ढंग से संभालने की आवश्यकता की पहचान करता है।

निष्कर्षतः, यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि DAPI-आधारित वितरित नियंत्रण को स्वायत्त सिंक्रोनाइज़ेशन लॉजिक के साथ जोड़ना आइसोलेटेड माइक्रोग्रिड नेटवर्कों के विश्वसनीय बहाली और संचालन के लिए एक व्यवहार्य और प्रभावी समाधान है।