Adaptive VSG-Based Coordinated Frequency Support Strategy for Grid-Following/Grid-Forming Hybrid Wind Farms
यह शोध पत्र ग्रिड-फॉलोइंग/ग्रिड-फॉर्मिंग हाइब्रिड विंड फार्मों के लिए एक अनुकूली वर्चुअल सिंक्रोनस जनरेटर (VSG) रणनीति प्रस्तावित करता है जो गड़बड़ी के तहत आवृत्ति स्थिरता और सक्रिय शक्ति प्रतिक्रिया को बढ़ाने के लिए वर्चुअल इनरशिया और डैम्पिंग मापदंडों को गतिशील रूप से समायोजित करता है और नियंत्रण डेडबैंड्स को समन्वित करता है।
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आधुनिक पावर ग्रिड आपूर्ति और मांग का एक नाजुक संतुलन है, एक ऐसी प्रणाली जो एक सदी से अधिक समय से कोयले और गैस संयंत्रों में विशाल, घूमते हुए टर्बाइनों पर निर्भर रही है। ये भारी मशीनें एक प्राकृतिक शॉक एब्जॉर्बर (झटका सहने वाले यंत्र) के रूप में कार्य करती हैं; उनका भारी वजन और संवेग (मोमेंटम) सिस्टम की आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी) को स्थिर रखता है, भले ही लोड में अचानक परिवर्तन हो जाए। जैसे-जैसे दुनिया स्वच्छ ऊर्जा की ओर बढ़ रही है, पवन फार्म इन पारंपरिक संयंत्रों की जगह ले रहे हैं। हालाँकि, विंड टर्बाइन पारंपरिक संयंत्रों की तरह भारी जड़ता (इनरशिया) के साथ नहीं घूमते हैं। वे इलेक्ट्रॉनिक स्विचों के माध्यम से ग्रिड से जुड़ते हैं, जिसका अर्थ है कि उनमें वह प्राकृतिक भौतिक बफर नहीं होता है। जब बिना पर्याप्त "घूर्णी भार" (रोटेशनल वेट) के बड़ी मात्रा में पवन ऊर्जा जोड़ी जाती है, तो ग्रिड नाजुक हो जाता है। यदि कोई अचानक व्यवधान उत्पन्न होता है, जैसे कि किसी बड़े कारखाने का बंद होना या किसी जनरेटर का विफल होना, तो सिस्टम की आवृत्ति बहुत तेजी से गिर सकती है, जिससे संभावित रूप से ब्लैकआउट हो सकते हैं।
इसे हल करने के लिए, इंजीनियरों ने विंड टर्बाइनों को पारंपरिक जनरेटरों की तरह व्यवहार करने के दो अलग-अलग तरीके विकसित किए हैं। एक विधि, जिसे 'ग्रिड-फॉलोइंग' कहा जाता है, इसमें टर्बाइन ग्रिड को सुनता है और उसके अनुसार अपने आउटपुट को समायोजित करता है, बिल्कुल वैसे ही जैसे एक यात्री ड्राइवर का अनुसरण करता है। दूसरी विधि, 'ग्रिड-फॉर्मिंग', टर्बाइन को ड्राइवर के रूप में कार्य करने की अनुमति देती है, जो ग्रिड को सहारा देने के लिए अपना स्वयं का वोल्टेज और आवृत्ति निर्धारित करता है। जबकि ग्रिड-फॉर्मिंग टर्बाइन शक्तिशाली होते हैं, वे कुछ स्थितियों में अस्थिर हो सकते हैं, और ग्रिड-फॉलोइंग टर्बाइन तत्काल सहायता प्रदान करने में कम प्रभावी होते हैं। चुनौती इन दो अलग-अलग प्रकार के टर्बाइनों को सहजता से एक साथ काम करने में सक्षम बनाने की है, विशेष रूप से तब जब हवा की गति बदलती है और ग्रिड अचानक झटके का सामना करता है।
एक टीम, जिसमें शंघाई मैरीटाइम यूनिवर्सिटी और शंघाई पावर इक्विपमेंट रिसर्च इंस्टीट्यूट के शोधकर्ता शामिल हैं, ने इन हाइब्रिड विंड फार्मों को समन्वित करने के लिए एक नई रणनीति प्रस्तावित की है। उन्होंने पहचाना कि इन टर्बाइनों को नियंत्रित करने का मानक तरीका निश्चित सेटिंग्स का उपयोग करता है जो इस बात पर निर्भर नहीं करतीं कि व्यवधान कितना गंभीर है या अन्य टर्बाइन कितना सहयोग प्रदान कर रहे हैं। यह कठोरता इस स्थिति की ओर ले जा सकती है जहाँ ग्रिड-फॉलोइंग टर्बाइन मदद करने के लिए बहुत देर तक प्रतीक्षा करते हैं, या जब इसकी आवश्यकता नहीं होती है तब भी बहुत अधिक मदद करते हैं, जिससे ऊर्जा बर्बाद होती है और उपकरण घिस जाते हैं। शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सिस्टम विकसित किया है जहाँ टर्बाइन वास्तविक समय में अपने व्यवहार को अनुकूलित कर सकते हैं, और ग्रिड को उस क्षण में ठीक क्या चाहिए, उसके आधार पर अपनी आंतरिक "कठोरता" (स्टिफनेस) और "डैम्पिंग" को समायोजित कर सकते हैं।
उनके समाधान का मुख्य हिस्सा एक नियंत्रण पद्धति है जिसे 'वर्चुअल सिंक्रोनस जनरेटर' के रूप में जाना जाता है। यह सॉफ्टवेयर-आधारित दृष्टिकोण विंड टर्बाइन को इस तरह से व्यवहार करने के लिए प्रेरित करता है जैसे कि उसमें पारंपरिक जनरेटर का भारी, घूमता हुआ द्रव्यमान हो, जिससे वह आवृत्ति में बदलाव का विरोध कर सके। शोधकर्ताओं के नए डिजाइन में, इस वर्चुअल मास की ताकत और डैम्पिंग द्वारा प्रदान की जाने वाली मात्रा निश्चित संख्याएँ नहीं हैं। इसके बजाय, वे इस बात पर गतिशील रूप से बदलते हैं कि आवृत्ति कितनी तेजी से गिर रही है और वह कितनी नीचे गिरी है। यदि आवृत्ति तेजी से गिरना शुरू होती है, तो सिस्टम तुरंत अपनी वर्चुअल इनरशिया को बढ़ा देता है ताकि गिरावट को धीमा किया जा सके। जैसे ही सिस्टम सामान्य होने लगता है, सेटिंग्स इस तरह बदल जाती हैं कि आवृत्ति बिना अत्यधिक उछाल या दोलन (ऑसिलेशन) के सामान्य स्तर पर लौट आए। यह अनुकूलन दृष्टिकोण सुनिश्चित करता है कि ग्रिड-फॉर्मिंग टर्बाइन ठीक सही समय पर सही मात्रा में सहायता प्रदान करें।
शोधकर्ताओं ने इन दो प्रकार के टर्बाइनों के बीच एक विशिष्ट समन्वय समस्या को भी संबोधित किया। ग्रिड-फॉलोइंग टर्बाइनों में आमतौर पर एक "डेडबैंड" होता है, जो आवृत्ति के उतार-चढ़ाव की एक छोटी सीमा है जहाँ वे हर मामूली हलचल पर प्रतिक्रिया करने से बचने के लिए कुछ नहीं करते हैं। एक हाइब्रिड फार्म में, यदि ग्रिड-फॉर्मिंग टर्बाइन पहले से ही मजबूत सहायता प्रदान कर रहे हैं, तो ग्रिड-फॉलोइंग टर्बाइनों को अनावश्यक रूप से हस्तक्षेप नहीं करना चाहिए। हालाँकि, यदि ग्रिड-फॉर्मिंग टर्बाइन संघर्ष कर रहे हैं, तो ग्रिड-फॉलोइंग टर्बाइनों को तुरंत कदम उठाने की आवश्यकता होती है। टीम ने एक डायनेमिक डेडबैंड बनाया जो ग्रिड-फॉर्मिंग इकाइयों के वास्तविक समय के प्रदर्शन के आधार पर अपनी चौड़ाई बदलता है। यदि ग्रिड-फॉर्मिंग टर्बाइन अच्छा काम कर रहे हैं, तो डेडबैंड चौड़ा हो जाता है, जो ग्रिड-फॉलोइंग टर्बाइनों को शांत रहने और अपनी ऊर्जा रिजर्व बचाने का संकेत देता है। यदि ग्रिड-फॉर्मिंग सहायता कमजोर होती है, तो डेडबैंड संकरा हो जाता है, जो ग्रिड-फॉलोइंग टर्बाइनों को तुरंत अपना समर्थन सक्रिय करने का संकेत देता है। यह एक तरल, सहकारी संबंध बनाता है जहाँ दोनों प्रकार के टर्बाइन दो अलग-अलग समूहों के बजाय एक एकल, बुद्धिमान इकाई के रूप में कार्य करते हैं।
इस विचार का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने दो पारंपरिक जनरेटरों और चालीस ग्रिड-फॉलोइंग टर्बाइनों तथा बीस ग्रिड-फॉर्मिंग टर्बाइनों वाले एक हाइब्रिड विंड फार्म वाले एक विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन का निर्माण किया। उन्होंने इस आभासी प्रणाली को तीन अलग-अलग हवा की गति: कम, मध्यम और उच्च के तहत अचानक लोड व्यवधानों के अधीन किया। प्रत्येक परिदृश्य में, उन्होंने अपनी नई अनुकूलन रणनीति की तुलना दो पुराने तरीकों से की: एक जहाँ टर्बाइन निश्चित सेटिंग्स का उपयोग करते थे, और दूसरा जहाँ केवल ग्रिड-फॉर्मिंग टर्बाइन अनुकूलित होते थे जबकि ग्रिड-फॉलोइंग स्थिर रहते थे।
परिणामों ने अनुकूलन दृष्टिकोण के लिए स्पष्ट लाभ दिखाया। जब एक बड़ा व्यवधान आया, तो नई रणनीति का उपयोग करने वाले सिस्टम ने उच्च न्यूनतम आवृत्ति बनाए रखी, जिसका अर्थ है कि ग्रिड सुरक्षित ऑपरेटिंग सीमा के बहुत करीब रहा। कम हवा की गति वाले परिदृश्य में, पुराना निश्चित तरीका अपनाने पर आवृत्ति गिरकर 49.8641 Hz हो गई, लेकिन नई रणनीति ने इसे 49.8772 Hz पर बनाए रखा। उच्च हवा की गति वाले परिदृश्य में, सुधार और भी स्पष्ट था, जहाँ आवृत्ति 49.7117 Hz (फिक्स्ड मेथड) की तुलना में 49.7326 Hz पर बनी रही। ये उच्च न्यूनतम आवृत्तियाँ महत्वपूर्ण हैं क्योंकि ये सिस्टम द्वारा आपातकालीन शटडाउन को ट्रिगर करने के जोखिम को कम करती हैं।
केवल आवृत्ति को ऊंचा बनाए रखने के अलावा, नई रणनीति ने यह भी सुधारा कि टर्बाइन कार्यभार को कैसे साझा करते हैं। सिमुलेशन ने दिखाया कि ग्रिड-फॉर्मिंग टर्बाइन आवश्यकता पड़ने पर अपनी संचित गतिज ऊर्जा (काइनेटिक एनर्जी) को अधिक मात्रा में छोड़ते हैं, और ग्रिड-फॉलोइंग टर्बाइन अपना समर्थन अधिक प्रभावी ढंग से सक्रिय करते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, डायनेमिक डेडबैंड ने ग्रिड-फॉलोइंग टर्बाइनों को मामूली उतार-चढ़ाव के दौरान बार-बार सक्रिय होने से रोका। शोधकर्ताओं ने पाया कि इससे टर्बाइनों को अपना पावर आउटपुट बदलने की संख्या कम हो गई, जो उपकरणों के घिसावट को कम करने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। दोनों प्रकार के टर्बाइनों को इस तरह से समन्वित करके कि वे केवल आवश्यकता होने पर और वास्तविक आवश्यकता के अनुपात में प्रतिक्रिया करें, सिस्टम ने ग्रिड को स्थिर रखने और विंड फार्म के जीवनकाल को संरक्षित करने के बीच एक बेहतर संतुलन प्राप्त किया।
अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह अनुकूलन समन्वय रणनीति ग्रिड स्थिरता से समझौता किए बिना पवन ऊर्जा के उच्च स्तर को एकीकृत करने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदान करती है। वर्चुअल इनरशिया और सक्रियण थ्रेशोल्ड को वास्तविक समय में बदलने की अनुमति देकर, हाइब्रिड विंड फार्म पारंपरिक पावर प्लांट की तरह ही लचीलेपन और प्रतिरोध के साथ व्यवधानों का जवाब दे सकता है। सिमुलेशन बताते हैं कि यह विधि न केवल आवृत्ति को बहुत कम गिरने से रोकती है, बल्कि यह भी सुनिश्चित करती है कि विंड फार्म के विभिन्न घटक कुशलतापूर्वक एक साथ काम करें, जो नवीकरणीय ऊर्जा ग्रिडों के भविष्य के लिए एक मजबूत समाधान प्रदान करता है।
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