Grid-Forming Enhanced STATCOMs for Wind Power Plant Stability: Design, Modeling, and Control

तकनीकी सारांश: पवन ऊर्जा संयंत्र स्थिरता के लिए ग्रिड-फॉर्मिंग एन्हांस्ड STATCOMs

समस्या विवरण
आधुनिक विद्युत प्रणालियों में इनवर्टर-आधारित संसाधनों (IBRs), विशेष रूप से पवन ऊर्जा के बढ़ते एकीकरण ने वोल्टेज और फ्रीक्वेंसी स्थिरता के संबंध में महत्वपूर्ण चुनौतियां पेश की हैं, विशेष रूप से कम शॉर्ट-सर्किट स्ट्रेंथ और कम सिस्टम जड़त्व (inertia) वाले कमजोर ग्रिड वातावरण में। पारंपरिक रूप से, जड़त्व (inertia), वोल्टेज विनियमन और फॉल्ट करंट सहायता प्रदान करने के लिए सिंक्रोनस कंडेंसर (Syncons) का उपयोग किया जाता रहा है। हालांकि, उनकी यांत्रिक प्रकृति गतिशील ग्रिड स्थितियों के तहत उनकी प्रतिक्रियाशीलता और अनुकूलन क्षमता को सीमित करती है। इसके अलावा, लंबी ट्रांसमिशन लाइनों में पावर ट्रांसफर को बढ़ाने के लिए सीरीज कंपनसेशन (series compensation) का उपयोग करने से नई अनुनाद (resonance) समस्याएं उत्पन्न हो सकती हैं, जिनमें सब-सिंक्रोनस रेजोनेंस (SSR) और ट्रांजिएंट ओवरवोल्टेज (TOV) शामिल हैं, जिनसे निपटने में मौजूदा समाधान प्रभावी ढंग से संघर्ष करते हैं।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन एक नवीन लीनियर मॉडलिंग फ्रेमवर्क और विस्तृत इलेक्ट्रोमैग्नेटिक ट्रांजिएंट (EMT) सिमुलेशन को संयोजित करने वाले दोहरे दृष्टिकोण का उपयोग करता है:

1. पावर-एडमिटेंस-आधारित लीनियर मॉडलिंग: पारंपरिक dq-रेफरेंस फ्रेम इम्पीडेंस विश्लेषण पर निर्भर रहने के बजाय, लेखक एक पावर-रिस्पॉन्स मैट्रिक्स-आधारित मॉडलिंग दृष्टिकोण का उपयोग करते हैं। यह विधि कनवर्टर सिस्टम को सक्रिय और प्रतिक्रियाशील शक्ति आउटपुट में परिवर्तन से ग्रिड वोल्टेज मैग्नीट्यूड और फ्रीक्वेंसी के उतार-चढ़ाव से सीधे जोड़कर अभिलक्षणित करती है। यह फ्रेमवर्क स्वाभाविक रूप से रेफरेंस-फ्रेम स्वतंत्र है, जो कई कनवर्टर सिस्टम के एकत्रीकरण और सिंथेटिक जड़त्व (inertia) तथा डैम्पिंग जैसे ग्रिड-फॉर्मिंग (GFM) गुणों के सहज मूल्यांकन की अनुमति देता है।

   • विंड फार्म को एक अनंत बस (infinite bus) से भौतिक रिएक्टर के माध्यम से जुड़े वोल्टेज स्रोत के रूप में मॉडल किया गया है।
   • विश्लेषण में अनुनाद आवृत्ति बदलावों (resonance frequency shifts) को सटीक रूप से पकड़ने के लिए गैर-आदर्श प्रारंभिक स्थितियों को शामिल किया गया है।
   • लीनियर एडमिटेंस मैट्रिसेस का उपयोग स्मॉल-सिग्नल डायनेमिक रिस्पॉन्स के विश्लेषण के लिए किया गया है।

2. तुलनात्मक सिस्टम कॉन्फ़िगरेशन: अध्ययन एक सीरीज कंपनसेशन वाले विंड फार्म के साथ जुड़े दो शंट कंपनसेशन विकल्पों की तुलना करता है:

   • सिंक्रोनस कंडेंसर (Syncon): इसे एक ऑटोमैटिक वोल्टेज रेगुलेटर (AVR) और अंतर्निहित मैकेनिकल जड़त्व के साथ मॉडल किया गया है।
   • एन्हांस्ड STATCOM (E-STATCOM): इसे एक स्विंग-इक्वेशन-आधारित पावर कंट्रोल लूप और ओपन-लूप वर्चुअल एडमिटेंस कंट्रोल (VAC) का उपयोग करके GFM कनवर्टर के माध्यम से लागू किया गया है। E-STATCOM को एक मानक Syncon के लक्षणों (जड़त्व स्थिरांक और रिएक्टेंस का मिलान करना) की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया है ताकि एक निष्पक्ष तुलना सुनिश्चित की जा सके।

3. वैलिडेशन (सत्यापन): लीनियर मॉडल से प्राप्त सैद्धांतिक अंतर्दृष्टि को विस्तृत PSCAD/EMT मॉडल का उपयोग करके सिमुलेशन-इन-लूप (SIL) के माध्यम से सत्यापित किया गया है। इन सिमुलेशन में वास्तविक ट्रांसफार्मर, कनवर्टर, सिंक्रोनस मशीन और विंड फार्म मॉडल शामिल हैं, जिन पर थ्री-फेज फॉल्ट, सिंगल-फेज फॉल्ट और फेज एंगल जंप जैसे विभिन्न ट्रांजिएंट परिदृश्य लागू किए गए हैं।

प्रमुख योगदान और परिणाम

• सब-सिंक्रोनस रेजोनेंस (SSR) की बेहतर डैम्पिंग: लीनियर विश्लेषण और EMT सिमुलेशन प्रदर्शित करते हैं कि जबकि Syncons कुछ डैम्पिंग प्रदान करते हैं, वे SSR को पूरी तरह से दबाने के लिए अपर्याप्त हैं। इसके विपरीत, GFM-आधारित E-STATCOM महत्वपूर्ण रूप से SSR को डैम्प करता है (लीनियर मॉडल में लगभग 10 Hz और EMT सिमुलेशन में 23 Hz देखा गया) और सीरीज कंपनसेशन द्वारा पेश किए गए नए ऑसिलेटरी मोड्स (जैसे 30 Hz और 80 Hz के आसपास के मोड) को प्रभावी ढंग से दबाता है।
• DC घटकों और ट्रांजिएंट ओवरवोल्टेज का प्रबंधन:
  • DC घटक: Syncons फेज एंगल शिफ्ट के परिणामस्वरूप होने वाले DC घटकों को डैम्प करने के बजाय उन्हें कम (attenuate) करते हैं और वास्तव में उन्हें इंजेक्ट भी कर सकते हैं। E-STATCOM, हालांकि केवल अपने कंट्रोल लूप के माध्यम से DC घटक को डैम्प करने में सक्षम नहीं है, लेकिन यह आगे के क्षीणन (attenuation) से बचता है और सिस्टम डिजाइन विचारों के संयोजन के साथ, प्रभावी दमन की अनुमति देता है।
  • ट्रांजिएंट ओवरवोल्टेज (TOV): थ्री-फेज फॉल्ट के बाद, विंड फार्म बस ने 2 p.u. तक पहुँचने वाला TOV प्रदर्शित किया। E-STATCOM ने इस TOV और संबंधित SSR को एक सिंगल साइकिल के भीतर दबा दिया, जबकि Syncon की प्रतिक्रिया धीमी और कम प्रभावी थी।
• फॉल्ट करंट और ओवरकरेंट क्षमता:
  • Syncons बिना किसी प्रतिबंध के अपने सब-ट्रांजिएंट रिएक्टेंस द्वारा नियंत्रित फॉल्ट करंट इंजेक्ट करते हैं।
  • मानक E-STATCOMs वाल्व क्षमता द्वारा सीमित होते हैं। हालांकि, अध्ययन दिखाता है कि विशिष्ट ओवरकरेंट हैंडलिंग क्षमताओं (जैसे अस्थायी ओवरलोड या विशेष सेमीकंडक्टर्स) के साथ डिज़ाइन किया गया E-STATCOM, Syncons के समान फॉल्ट करंट स्तर प्रदान कर सकता है।
  • महत्वपूर्ण रूप से, पोस्ट-फॉल्ट रिकवरी के दौरान, E-STATCOM पूर्ण करंट सहायता बनाए रखता है, जो एक क्षमता Syncons के पास नहीं है।
• डायनेमिक रिस्पॉन्स: E-STATCOM अपने ओपन-लूप वर्चुअल इम्पीडेंस इम्यूलेशन के कारण तेज़ डायनेमिक रिस्पॉन्स (आमतौर पर 50 µs के भीतर) प्रदर्शित करता है, जिससे यह मैकेनिकल मशीनों की तुलना में जड़त्व, इंडक्टेंस और डैम्पिंग की अधिक प्रभावी ढंग से नकल करके ग्रिड स्थिरता में योगदान दे सकता है।

महत्व और दावे

पेपर का दावा है कि ग्रिड-फॉर्मिंग क्षमताओं वाले एन्हांस्ड STATCOMs, विशेष रूप से लंबे ट्रांसमिशन लाइनों और सीरीज कंपनसेशन वाले उच्च-नवीकरणीय ग्रिडों को स्थिर करने के लिए सिंक्रोनस कंडेंसर की तुलना में अधिक मजबूत और लचीला समाधान प्रस्तुत करते हैं।

मुख्य दावे शामिल हैं:

• डिज़ाइन बेंचमार्क: अध्ययन का उद्देश्य एक बेंचमार्क E-STATCOM डिज़ाइन मानदंड प्रदान करना है। यह फ्रेमवर्क स्टेकहोल्डर्स, जैसे कि ट्रांसमिशन सिस्टम ऑपरेटर्स (TSOs) को, व्यापक EMT सिमुलेशन की तत्काल आवश्यकता के बिना विशिष्ट ग्रिड स्थितियों के लिए E-STATCOM की उपयुक्तता का आकलन करने में सक्षम बनाता है।
• स्केलेबिलिटी और फ्लेक्सिबिलिटी: Syncons के विपरीत, जो मैकेनिकल जड़त्व द्वारा सीमित हैं, E-STATCOMs ट्यूनेबल कंट्रोल, वर्चुअल इम्पीडेंस इम्यूलेशन और स्केलेबल फॉल्ट करंट सपोर्ट प्रदान करते हैं।
• व्यापक स्थिरता: E-STATCOM स्थिरता के एक व्यापक स्पेक्ट्रम को संबोधित करता है, जिसमें SSR, DC ऑसिलेशन, ट्रांजिएंट ओवरवोल्टेज और सीरीज कंपनसेशन द्वारा प्रेरित नए मोड शामिल हैं, जो वाइड फ्रीक्वेंसी रेंज में स्थिर संचालन सुनिश्चित करते हैं।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि जबकि Syncons एक पारंपरिक समाधान रहे हैं, GFM-आधारित E-STATCOMs के विशिष्ट डायनेमिक लाभ उन्हें उच्च-नवीकरणीय बिजली प्रणालियों के विकसित होते परिदृश्य के लिए बेहतर विकल्प बनाते हैं।