Coordinated Optimization of Grid-Forming Control in LCC-MMC Hybrid DC Transmission Systems Considering Virtual Power Angle Evolution Mechanism

कल्पना कीजिए कि इलेक्ट्रिकल ग्रिड ऊर्जा का एक विशाल, अदृश्य महासागर है, जो हमारे बल्बों, फोन और शहरों को शक्ति देने के लिए लगातार उथल-पुथल मचा रहा है। इस महासागर में, दो मुख्य प्रकार की "नावें" हैं जो पानी को शांत रखने और उसे सही दिशा में चलाने में मदद करती हैं। कुछ नावें, जिन्हें "ग्रिड-फॉलोइंग" (Grid-Following) नावें कहा जाता है, मेहनती मल्लाहों की तरह होती हैं जो बस एक लाइटहाउस (मुख्य ग्रिड से मिलने वाला संकेत) को देखती हैं और उसके साथ पूरी तरह तालमेल बिठाकर चप्पू चलाती हैं। वे तब बहुत अच्छी होती हैं जब महासागर शांत होता है, लेकिन यदि कोई तूफान आता है और लाइटहाउस की रोशनी टिमटिमाती है, तो वे रास्ता भटक सकती हैं या घबरा सकती हैं। दूसरी ओर, "ग्रिड-फॉर्मिंग" (Grid-Forming) नावें, बेड़े के कैप्टनों की तरह होती हैं। वे केवल रोशनी का पीछा नहीं करतीं; वे अपनी खुद की लय और वोल्टेज उत्पन्न करती हैं, एक आभासी इंजन की तरह कार्य करती हैं जो पूरे महासागर को स्थिर करने में मदद करता है, तब भी जब तूफान गरज रहा हो। यह तब अत्यंत महत्वपूर्ण हो जाता है जब हम अपने ऊर्जा मिश्रण में पवन और सौर ऊर्जा जैसे अनिश्चित स्रोतों को जोड़ते हैं। हालाँकि, इन "ग्रिड-फॉर्मिंग" कैप्टनों का एक पेचीदा रहस्य है: जब तूफान बहुत हिंसक हो जाता है, तो वे कभी-कभी डर जाते हैं और "करंट-सोर्स" (current-source) मोड में बदल जाते हैं, जहाँ वे स्टीयरिंग चलाना बंद कर देते हैं और बस पूरी ताकत से धक्का देना शुरू कर देते हैं, जो वास्तव में जहाज को पलट सकता है।

यह शोध पत्र ठीक उसी डरावने क्षण को संबोधित करता है जो एक विशिष्ट प्रकार के सुपर-हाई-वोल्टेज पावर लाइन के लिए है जो एक भेजने वाले स्टेशन को प्राप्त करने वाले स्टेशन से जोड़ता है। शोधकर्ताओं ने, एक ±800 kV सिस्टम के मॉडल के साथ काम करते हुए, पाया कि जब रिसीविंग एंड पर एक फॉल्ट (जैसे शॉर्ट सर्किट) आता है, तो "ग्रिड-फॉर्मिंग" कन्वर्टर्स एक खतरनाक लूप में फंस सकते हैं जहाँ वे उस कोण (angle) पर नियंत्रण खो देते हैं जो उन्हें ग्रिड के साथ तालमेल बनाए रखता है। वे इस कोण को "वर्चुअल पावर एंगल" (virtual power angle) कहते हैं, जिसे आप स्टीयरिंग व्हील की स्थिति के रूप में देख सकते है जो हवा के सापेक्ष होती है। यदि यह कोण बहुत अधिक घूम जाता है, तो सिस्टम नियंत्रण खो देता है। लेखकों ने कंप्यूटर सिमुलेशन (विशेष रूप से PSCAD/EMTDC नामक प्लेटफॉर्म पर) का उपयोग करके यह सिद्ध किया कि "सरप्लस पावर" (अतिरिक्त ऊर्जा जो निकास अवरुद्ध होने के कारण जमा हो रही है) पर नज़र रखकर, वे कैप्टन को गतिशील रूप से इतना कम धीमा होने के लिए बता सकते हैं कि स्टीयरिंग व्हील नियंत्रण से बाहर न जाए। इसके अलावा, यदि तूफान इतना भीषण हो जाता है कि धीमा होना पर्याप्त नहीं है, तो उन्होंने एक "स्मूथ स्विच" (smooth switch) डिजाइन किया है जो कैप्टन को बिना किसी झटके के तुरंत एक "ग्रिड-फॉलोइंग" मल्लाह को स्टीयरिंग सौंपने की अनुमति देता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि नाव सबसे खराब तूफानों में भी जीवित रहे।

वर्चुअल स्टीयरिंग व्हील की कहानी

हाई-वोल्टेज पावर ट्रांसमिशन की दुनिया में, इंजीनियर लगातार भारी मात्रा में बिजली को वहां से स्थानांतरित करने की कोशिश कर रहे हैं जहाँ वह बनती है (जैसे विशाल पवन फार्म) और जहाँ उसकी आवश्यकता है (जैसे बड़े शहर)। इसे करने का एक लोकप्रिय तरीका एक "हाइब्रिड" सिस्टम का उपयोग करना है: शुरुआत में एक लाइन-कम्यूटेटेड कन्वर्टर (LCC) और अंत में एक मॉड्यूलर मल्टीलेवल कन्वर्टर (MMC)। LCC को एक मजबूत, पुराने स्कूल के ट्रक के रूप में सोचें जो सस्ता और टिकाऊ है, और MMC को एक फैंसी, लचीली स्पोर्ट्स कार के रूप में देखें जो कठिन सड़कों को संभाल सकती है।

समस्या गंतव्य पर उत्पन्न होती है। कभी-कभी, स्थानीय पावर ग्रिड "कमजोर" होता है, जिसका अर्थ है कि इसमें स्थिरता बनाए रखने के लिए बहुत कम जड़त्व (inertia) होता है। इसे ठीक करने के लिए, इंजीनियर स्पोर्ट्स कार पर "ग्रिड-फॉर्मिंग" (GFM) कंट्रोल का उपयोग करते हैं। ग्रिड की लय का केवल पालन करने के बजाय, GFM कंट्रोल एक वर्चुअल सिंक्रोनस जनरेटर की तरह कार्य करता है, जो ग्रिड को स्थिर रखने के लिए अपना स्वयं का वोल्टेज और फ्रीक्वेंसी बनाता है। यह एक ऐसे कप्तान की तरह है जो दिशा-सूचक यंत्र (compass) टूटने पर भी जहाज को मोड़ सकता है।

लेकिन यहाँ एक पेंच है: जब ग्रिड पर कोई बड़ा फॉल्ट (जैसे थ्री-फेज शॉर्ट सर्किट) आता है, तो GFM कप्तान घबरा जाता है। सिस्टम उपकरणों की सुरक्षा के लिए करंट को सीमित करने की कोशिश करता है, और ऐसा करने में, कन्वर्टर वोल्टेज सोर्स (एक स्थिर कप्तान) के रूप में कार्य करने के बजाय करंट सोर्स (एक घबराया हुआ धकेलने वाला) में बदल जाता है। इस अवस्था में, "वर्चुअल पावर एंगल"—जो कन्वर्टर के आंतरिक वोल्टेज और ग्रिड वोल्टेज के बीच का कोण है—पागलों की तरह घूमने लगता है। यदि यह एक विशिष्ट "क्रिटिकल क्लियरिंग एंगल" (CCA) से आगे निकल जाता है, तो सिस्टम तालमेल खो देता है और क्रैश हो जाता है। यह एक पेंडुलम की तरह है जो इतना ऊँचा झूलता है कि छत से टकरा जाता है और वहीं अटक जाता है।

दो-चरणीय बचाव योजना

लेखकों ने तूफान आने पर जहाज को बचाने के लिए एक दो-चरणीय रणनीति प्रस्तावित की है।

1. "सरप्लस पावर" ब्रेक
उनकी योजना का पहला भाग है दुर्घटना से पहले स्मार्ट तरीके से धीमा होना। उन्होंने महसूस किया कि जब फॉल्ट होता है, तो भेजने वाला सिरा शक्ति भेजता रहता है, लेकिन प्राप्त करने वाला सिरा इसे बाहर नहीं जाने दे पाता। इससे "सरप्लस पावर" पैदा होती है, जिससे DC वोल्टेज बढ़ जाता है। लेखकों ने इस उछाल (spike) को एक चेतावनी संकेत के रूप में उपयोग किया।

सिर्फ ब्रेक लगाने या पावर सेटिंग को स्थिर रखने के बजाय (जो कि क्रूज कंट्रोल के साथ गाड़ी चलाने जैसा है), उन्होंने एक "डायनामिक पावर रिडक्शन" रणनीति बनाई। उन्होंने सटीक असंतुलित शक्ति की गणना की और उसका उपयोग GFM कंट्रोलर के पावर सेटपॉइंट को तुरंत कम करने के लिए किया।

• यह कैसे काम करता है: पावर टारगेट को कम करके, वे प्रभावी रूप से "एक्सेलेरेशन एरिया" (वह बल जो स्टीयरिंग व्हील को दूर धकेलता है) को छोटा कर देते हैं और "डिसिलेरेशन एरिया" (रुकने की जगह) को बढ़ा देते हैं। यह क्रिटिकल क्लियरिंग एंगल को बड़ा बनाता है, जिससे सिस्टम को स्पिन आउट होने से पहले उबरने के लिए अधिक समय मिलता है।
• परिणाम: अपने सिमुलेशन में, जब उन्होंने एक फॉल्ट का परीक्षण किया जो 5.7 सेकंड के बाद ठीक हुआ, तो एक फिक्स्ड पावर रिडक्शन स्कीम विफल रही। हालांकि, उनकी डायनामिक रणनीति के साथ, सिस्टम सुचारू रूप से रिकवर हुआ। वर्चुअल पावर एंगल बहुत अधिक नहीं घूमा, और DC वोल्टेज तथा एक्टिव पावर बहुत तेज़ी से (लगभग 8 सेकंड में, न कि लंबा खिंचने के बजाय) सामान्य स्थिति में लौट आए।

2. बैकअप मल्लाह के पास "स्मूथ स्विच"
लेकिन क्या होगा यदि तूफान इतना गंभीर हो जाए कि धीमा होना भी पर्याप्त न हो? क्या होगा यदि वर्चुअल पावर एंगल पहले से ही वापसी के बिंदु से आगे निकल गया हो?
लेखकों की दूसरी रणनीति एक "स्मूथ स्विचिंग" तंत्र है। यदि कोण बहुत खतरनाक हो जाता है, तो सिस्टम तुरंत कन्वर्टर को "ग्रिड-फॉर्मिंग" मोड से "ग्रिड-फॉलोइंग" (GFL) मोड में बदल देता है।

• चुनौती: आमतौर पर, मोड बदलना 100 मील प्रति घंटे की रफ्तार से चलती कार में एक ड्राइवर से दूसरे ड्राइवर को स्टीयरिंग सौंपने जैसा होता है। इससे एक झटका लगता है जो कार को क्रैश कर सकता है।
• समाधान: उन्होंने एक "फीडफॉरवर्ड कंपनसेशन" सिस्टम डिजाइन किया है। यह एक को-पायलट की तरह काम करता है जो मुख्य ड्राइवर को देखता है और पहले से गणना करता है कि बैकअप ड्राइवर को वास्तव में क्या करने की आवश्यकता है। स्विच होने से पहले, बैकअप सिस्टम (GFL कंट्रोलर) पहले से ही मुख्य सिस्टम के आउटपुट को ट्रैक कर रहा होता है। जब स्विच होता है, तो आंतरिक-लूप करंट रेफरेंस (मोटरों को दिए जाने वाले वास्तविक कमांड) निरंतर बने रहते हैं। कोई झटका नहीं, कोई स्पाइक नहीं, और नियंत्रण की कोई हानि नहीं होती।
• परिणाम: एक गंभीर फॉल्ट (वोल्टेज 0.1 p.u. तक गिरना) के सिमुलेशन में, वह सिस्टम जिसने इस स्मूथ स्विच का उपयोग किया, वह बिना स्विच वाले सिस्टम की तुलना में लगभग 7.5 सेकंड में रिकवर हुआ।

सिमुलेशन ने क्या दिखाया

शोधकर्ताओं ने एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल पर इन विचारों का परीक्षण किया जो एक ±800 kV, 4,000 MW हाइब्रिड DC ट्रांसमिशन सिस्टम है। उन्होंने हाई-एंड कन्वर्टर AC बस पर थ्री-फेज शॉर्ट-सर्किट फॉल्ट का अनुकरण किया।

• खतरा क्षेत्र: उन्होंने पुष्टि की कि यदि फॉल्ट बहुत लंबे समय तक रहता है, तो वर्चुअल पावर एंगल क्रिटिकल क्लियरिंग एंगल को पार कर जाता है, और सिस्टम अस्थिर हो जाता है। विशेष रूप से, जब फॉल्ट क्लियरिंग समय को 5.9 सेकंड तक बढ़ाया गया, तो फिक्स्ड पावर रिडक्शन स्कीम पूरी तरह विफल रही, जिससे वर्चुअल पावर एंगल बढ़ता रहा और सिस्टम स्थिरता खो बैठा। इसके विपरीत, डायनामिक रणनीति ने सिस्टम को स्थिर रखा।
• डायनामिक लाभ: जब उन्होंने 5.9-सेकंड के फॉल्ट टेस्ट के लिए अपने डायनामिक पावर रिडक्शन की फिक्स्ड पावर रिडक्शन से तुलना की, तो डायनामिक विधि ने काफी कम व्यवधान दिखाए। एक्टिव पावर 380 MW तक गिर गई लेकिन 8.5 सेकंड में रिकवर होने लगी, जबकि फिक्स्ड स्कीम में DC वोल्टेज 690 kV तक बढ़ता रहा और पावर गंभीर रूप से दोलन करती रही।
• स्विचिंग का लाभ: जब उन्होंने एक गंभीर फॉल्ट (0.1 p.u. वोल्टेज) पर स्मूथ स्विचिंग का परीक्षण किया, तो स्विच वाले सिस्टम ने बिना स्विच वाले सिस्टम की तुलना में 1 सेकंड तेजी से रिकवरी की। महत्वपूर्ण रूप से, इसने कन्वर्टर को खतरनाक करंट-सोर्स मोड में "लॉक" होने से रोका।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि उसने बिजली ग्रिड की हर समस्या को हल कर दिया है, बल्कि यह ग्रिड-फॉर्मिंग कन्वर्टर्स की एक ज्ञात कमजोरी के लिए एक बहुत ही विशिष्ट और चतुर समाधान प्रदान करता है। "वर्चुअल पावर एंगल" को एक स्टीयरिंग व्हील की तरह प्रबंधित करने के माध्यम से, लेखकों ने दिखाया है कि:

1. डायनामिक ब्रेकिंग, सरप्लस पावर पर आधारित, स्टैटिक ब्रेकिंग से बेहतर है। यह सिस्टम को अधिक सुरक्षा मार्जिन देता है।
2. स्मूथ स्विचिंग, ग्रिड-फॉलोइंग मोड में, एक आपातकालीन निकास के रूप में एक व्यवहार्य विकल्प है, बशर्ते आप स्टीयरिंग को झटके से न घुमाएं।

लेखक सुझाव देते हैं कि यह दृष्टिकोण दोनों दुनियाओं के सर्वश्रेष्ठ गुणों को जोड़ता है: शांत मौसम में ग्रिड-फॉर्मिंग कैप्टन की स्थिरता और तूफान में ग्रिड-फॉलोइंग मल्लाह की विश्वसनीयता। हालांकि ये परिणाम सिमुलेशन पर आधारित हैं और अभी तक वास्तविक पावर लाइन पर परीक्षण नहीं किए गए हैं, फिर भी वे भविष्य के हाई-वोल्टेज DC सिस्टम को बिजली ग्रिड के अपरिहार्य तूफानों के खिलाफ सुरक्षित और अधिक लचीला बनाने के लिए एक मजबूत सैद्धांतिक और मॉडल आधारित आधार प्रदान करते हैं।