Multi-Time-Scale Coordinated Planning of Distribution Networks with High Penetration of Distributed Renewable Energy Considering Active–Reactive Power Coupled Flexibility and Voltage Risk
यह शोध पत्र सक्रिय वितरण नेटवर्क के लिए एक बहु-समय-पैमाने (multi-time-scale) समन्वित नियोजन पद्धति प्रस्तावित करता है जो सक्रिय-प्रतिक्रियाशील शक्ति युग्मित लचीलेपन और वोल्टेज-जोखिम नियंत्रण को एकीकृत करता है ताकि निवेश में वृद्धि के बावजूद अक्षय ऊर्जा समायोजन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ावा दिया जा सके, कटौती को कम किया जा सके और कुल वार्षिक लागत को कम किया जा सके।
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हमारे घरों और व्यवसायों को शक्ति प्रदान करने वाला विद्युत ग्रिड एक शांत लेकिन गहन परिवर्तन से गुजर रहा है। दशकों तक, बिजली एक ही दिशा में बहती थी: विशाल बिजली संयंत्रों से, तारों के एक नेटवर्क के माध्यम से, उपभोक्ता तक। यह प्रणाली अनुमानित होने के लिए डिज़ाइन की गई थी, जिसमें इंजीनियर जानते थे कि किसी भी दिए गए घंटे में कितनी बिजली की आवश्यकता होगी। आज, हालांकि, यह प्रवाह दो-तरफा और बहुत कम अनुमानित होता जा रहा है। छत पर लगे सौर पैनल और स्थानीय पवन टरबाइन ग्रिड में वापस बिजली इंजेक्ट कर रहे हैं, लेकिन सूरज हमेशा नहीं चमकता और हवा हमेशा नहीं चलती। यह उन लोगों के लिए एक नई चुनौती पैदा करता है जो इन नेटवर्कों का प्रबंधन करते हैं: जब ऊर्जा का स्रोत लगातार बदल रहा हो, तो लाइट चालू रखने और वोल्टेज को स्थिर बनाए रखने का क्या करें। इसका समाधान केवल अधिक तार या बैटरी जोड़ने में नहीं है, बल्कि ऊर्जा के उत्पादन और उन अदृश्य बलों के बीच के सूक्ष्म, पलक झपकते होने वाले नृत्य को समझने में है जो उस ऊर्जा को तारों के माध्यम से सुरक्षित रूप से चलाने में मदद करते हैं।
स्टेट ग्रिड चेंगडू पावर सप्लाई कंपनी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस अनिश्चित भविष्य के लिए योजना बनाने का एक नया तरीका विकसित किया है। उन्होंने एक विशिष्ट समस्या पर ध्यान केंद्रित किया: जब एक वितरण नेटवर्क नवीकरणीय ऊर्जा से भरा होता है, तो केवल उत्पादित और उपभोग की जाने वाली बिजली की कुल मात्रा को संतुलित करना पर्याप्त नहीं होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि बिजली के बदलने की गति उतनी ही महत्वपूर्ण है जितनी कि कुल मात्रा। सौर फार्म के ऊपर से अचानक गुजरता हुआ एक बादल सेकंडों में बिजली में तेजी से गिरावट ला सकता है, जबकि मांग में धीमा बदलाव घंटों में हो सकता है। यदि ग्रिड के संसाधन सही गति से प्रतिक्रिया नहीं दे पाते हैं, तो वोल्टेज बढ़ सकता है या गिर सकता है, जिससे उपकरणों को नुकसान पहुँच सकता है या ब्लैकआउट हो सकता है। इसके अलावा, जो उपकरण यह बिजली उत्पन्न करते हैं, जैसे सौर पैनलों पर इन्वर्टर, उनके पास सक्रिय शक्ति (वह ऊर्जा जो कार्य करती है) और प्रतिक्रियाशील शक्ति (वह ऊर्जा जो वोल्टेज बनाए रखती है) दोनों को एक साथ प्रदान करने की एक भौतिक सीमा होती है। यदि एक सौर पैनल ऊर्जा उत्पादन के लिए अपनी पूरी क्षमता पर चल रहा है, तो उसके पास वोल्टेज को स्थिर करने में मदद करने की कम क्षमता होती है।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी योजना पद्धति बनाई जो ग्रिड को तीन अलग-अलग समय पैमानों पर एक साथ देखती है: तेज़, मध्यम और धीमा। उन्होंने ग्रिड को एक स्थिर प्रणाली के रूप में नहीं, बल्कि एक गतिशील प्रणाली के रूप में माना जिसे परिवर्तन की विभिन्न गतियों के लिए विभिन्न उपकरणों की आवश्यकता होती है। तेज़, सेकंड-दर-सेकंड के उतार-चढ़ाव के लिए, वे स्मार्ट इन्वर्टर और तीव्र-प्रतिक्रिया वाली बैटरियों पर निर्भर रहे। धीमी, घंटे-दर-घंटे के बदलावों के लिए, उन्होंने गैस टर्बाइनों और 'डिमांड रिस्पॉन्स' (मांग प्रतिक्रिया) का उपयोग किया, जहाँ उपभोक्ता आवश्यकता पड़ने पर अपने उपयोग को कम करने के लिए सहमत होते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, उनका मॉडल इस तथ्य को ध्यान में रखता है कि ये संसाधन आपस में जुड़े हुए हैं; किसी उपकरण के सक्रिय शक्ति आउटपुट को बढ़ाने से अक्सर उसकी वोल्टेज को स्थिर रखने के लिए आवश्यक प्रतिक्रियाशील शक्ति प्रदान करने की क्षमता कम हो जाती है। इन कनेक्शनों के लिए पहले से ही योजना बनाकर, वे यह निर्धारित कर सके कि नए उपकरणों को कहाँ रखना है और सबसे कठिन परिदृश्यों को संभालने के लिए उन्हें कितना बड़ा होना चाहिए।
टीम ने अपने तरीके का परीक्षण एक वास्तविक दुनिया के वितरण नेटवर्क के सिम्युलेटेड संस्करण पर किया, जो एक 69-बस फीडर सिस्टम है जो एक विशिष्ट स्थानीय ग्रिड का प्रतिनिधित्व करता है। उन्होंने मौसम और उपयोग के हजारों संभावित पैटर्न उत्पन्न करने के लिए उन्नत कंप्यूटर तकनीकों का उपयोग किया, जिसमें अचानक बादल छाना या तेजी से लोड परिवर्तन जैसी दुर्लभ लेकिन खतरनाक घटनाएं भी शामिल थीं। इनमें से, उन्होंने योजना बनाने के लिए 27 प्रतिनिधि परिदृश्यों का चयन किया। उन्होंने अपने नए, जोखिम-जागरूक दृष्टिकोण की तुलना पुराने तरीकों से की जो केवल औसत स्थितियों को देखते थे या सक्रिय और प्रतिक्रियाशील शक्ति को अलग-अलग मानते थे। परिणाम आश्चर्यजनक थे। नए तरीके के तहत, ग्रिड काफी अधिक नवीकरणीय ऊर्जा को समायोजित कर सकता था। पवन ऊर्जा की क्षमता 0.96 मेगावाट से बढ़कर 1.18 मेगावाट हो गई, और सौर क्षमता 0.56 मेगावाट से बढ़कर 0.74 मेगावाट हो गई।
हालांकि इस अपग्रेड के लिए उच्च प्रारंभिक निवेश की आवश्यकता थी—जो 1.05 मिलियन डॉलर से बढ़कर 1.39 मिलियन डॉलर हो गया—लेकिन दीर्घकालिक बचत पर्याप्त थी। ग्रिड चलाने की कुल वार्षिक लागत में 18.16% की गिरावट आई, जो 2.83 मिलियन डॉलर से घटकर 2.316 मिलियन डॉलर रह गई। यह कमी बर्बाद हुई ऊर्जा और संभावित विफलताओं की लागत में भारी कमी से आई। नवीकरणीय ऊर्जा की मात्रा जिसे 'कर्टेलमेंट' (यानी, ग्रिड संभालने में असमर्थ होने के कारण फेंक दिया जाना) किया जाना था, वह 85.2% गिर गई। ग्राहकों को बिजली की आपूर्ति करने में असमर्थ होने का जोखिम 92.4% कम हो गया। शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि सिस्टम वोल्टेज की समस्याओं के प्रति बहुत अधिक लचीला हो गया। शोधकर्ताओं ने वोल्टेज विचलन के जोखिम को मापने के लिए एक मीट्रिक का उपयोग किया जो सबसे खराब परिदृश्यों पर ध्यान केंद्रित करता है, और उन्होंने पाया कि नया नियोजन तरीका इन खतरनाक उछाल और गिरावट की संभावना को काफी कम कर देता है।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि इन कारकों पर विचार करने पर ग्रिड की संरचना कैसे बदल जाती है। नया प्लान बड़े, धीमी प्रतिक्रिया देने वाले गैस टर्बाइनों पर कम और वितरित, तेज़-कार्य करने वाले संसाधनों जैसे बैटरी और डिमांड रिस्पॉन्स पर अधिक निर्भर था। इसने स्वयं इन्वर्टर की प्रतिक्रियाशील शक्ति क्षमताओं में भी उल्लेखनीय वृद्धि की मांग की, यह सुनिश्चित करते हुए कि भले ही सौर पैनल अधिकतम शक्ति का उत्पादन कर रहे हों, वे ग्रिड को स्थिर करने में मदद कर सकें। शोधकर्ताओं ने पाया कि तेज़, मध्यम और धीमे समय पैमानों पर इन विभिन्न संसाधनों का समन्वय करके, ग्रिड सुरक्षा से समझौता किए बिना बहुत अधिक स्तर की नवीकरणीय ऊर्जा को संभाल सकता है। परिणाम बताते हैं कि विश्वसनीय बिजली का भविष्य बड़े, धीमे सिस्टम बनाने में नहीं है, बल्कि एक ऐसा नेटवर्क बनाने में है जो लचीला, उत्तरदायी और उस ऊर्जा तथा इसे ले जाने वाले तारों की स्थिरता के बीच के जटिल संबंध के प्रति जागरूक हो।
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