Consensus-Based Coordinated Frequency Regulation for VSC-HVDC Interconnected Power Systems with Heterogeneous Resources

विद्युत ग्रिड एक विशाल, नाजुक मशीन है जिसे पूर्ण संतुलन बनाए रखना चाहिए। हर सेकंड, जितनी बिजली उत्पन्न की जा रही है, उतनी ही उपयोग की जाने वाली मात्रा के बराबर होनी चाहिए। यदि यह संतुलन थोड़ा भी बिगड़ता है, तो सिस्टम के घूमने की गति—आवृत्ति (फ्रीक्वेंसी)—डगमगाने लगती है। अतीत में, यह प्रणाली पावर प्लांटों में विशाल, घूमते हुए टर्बाइनों पर निर्भर थी। ये भारी मशीनें विशाल फ्लाईव्हील्स की तरह कार्य करती थीं, जो अपनी गति में ऊर्जा को संचित रखती थीं और गति में अचानक होने वाले परिवर्तनों का स्वाभाविक रूप से विरोध करती थीं। उन्होंने एक अंतर्निहित सुरक्षा कवच प्रदान किया जिसने मांग बढ़ने या किसी जनरेटर के विफल होने पर भी बिजली की निरंतरता बनाए रखी।

आज, परिदृश्य बदल रहा है। जैसे-जैसे हम स्वच्छ ऊर्जा की ओर बढ़ रहे हैं, हम उन भारी टर्बाइनों को सौर पैनलों और पवन फार्मों से बदल रहे हैं। ये स्रोत घूमती हुई धातु के बजाय इलेक्ट्रॉनिक कन्वर्टर के माध्यम से ग्रिड से जुड़े होते हैं। हालांकि वे बिजली पैदा करने में उत्कृष्ट हैं, लेकिन उनके पास वह समान भारी जड़त्व (इनर्शिया) नहीं है। वे व्यवधानों के प्रति अलग तरह से प्रतिक्रिया करते हैं, और जब वे बहुत सारे एक साथ जुड़ जाते हैं, तो पूरा सिस्टम अधिक नाजुक हो जाता है। इसके अलावा, आधुनिक ग्रिड अक्सर विभिन्न क्षेत्रों को हाई-वोल्टेज डायरेक्ट करंट (HVDC) लाइनों का उपयोग करके एक-दूसरे से जोड़ते हैं, जो उन क्षेत्रों के बीच पुल का काम करते हैं जिनकी घूमने की लय (स्पिनिंग रिदम) एक समान नहीं होती। यह एक जटिल पहेली बनाता है: जब भारी फ्लाईव्हील्स चले गए हों, संसाधन एक-दूसरे से भिन्न हों, और क्षेत्र तेज़ इलेक्ट्रॉनिक पुलों द्वारा जुड़े हों, तो आप एक सिस्टम को स्थिर कैसे रख सकते हैं?

शंघाई यूनिवर्सिटी ऑफ इलेक्ट्रिक पावर और स्टेट ग्रिड शंघाई म्युनिसिपल इलेक्ट्रिक पावर कंपनी के शोधकर्ताओं ने इन विविध संसाधनों को समन्वित करने का एक नया तरीका विकसित करके इस चुनौती का सामना किया है। उन्होंने एक ऐसे ग्रिड पर ध्यान केंद्रित किया जो तीन अलग-अलग क्षेत्रों से बना है, जो हाई-वोल्टेज डायरेक्ट करंट लिंक से जुड़े हैं, और पारंपरिक जनरेटरों, आधुनिक पवन एवं सौर कन्वर्टरों और ऊर्जा भंडारण प्रणालियों के मिश्रण से भरा है। टीम ने महसूस किया कि इन सभी अलग-अलग संसाधनों के साथ एक जैसा व्यवहार करना ही समस्या थी। एक पारंपरिक जनरेटर, एक पवन फार्म और एक बैटरी स्टोरेज यूनिट, तीनों आवृत्ति परिवर्तन के प्रति अलग-अलग गति और अलग-अलग क्षमताओं के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। इसे हल करने के लिए, उन्होंने एक दो-स्तरीय नियंत्रण प्रणाली बनाई जो इन विषम संसाधनों को एक केंद्रीय कमांडर के बिना, एक-दूसरे से बात करने और मिलकर काम करने की अनुमति देती है।

इस प्रणाली का पहला स्तर प्रत्येक स्थानीय क्षेत्र के भीतर एक त्वरित प्रतिक्रिया टीम की तरह कार्य करता है। जब कोई व्यवधान होता है, जैसे कि बिजली में अचानक गिरावट, तो उस क्षेत्र के संसाधनों को आवृत्ति को गिरने से रोकने के लिए तुरंत प्रतिक्रिया देनी होती है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसा एल्गोरिदम तैयार किया है जो इन विभिन्न संसाधनों को स्थानीय स्तर पर सूचना साझा करने की अनुमति देता है। किसी केंद्रीय कार्यालय द्वारा समाधान की गणना करने की प्रतीक्षा करने के बजाय, संसाधन अपने पड़ोसियों के साथ बातचीत करते हैं। वे इस पर सहमति बनाते हैं कि प्रत्येक को अपनी विशिष्ट क्षमताओं और लागतों के आधार पर कितना योगदान देना चाहिए। यह मिलीसेकंड में होता है। सिस्टम यह सुनिश्चित करता है कि सबसे तेज़ संसाधन, जैसे कि कुछ प्रकार के कन्वर्टर, गिरावट को रोकने के लिए तुरंत सक्रिय हो जाएं, जबकि धीमे संसाधन रिकवरी में सहायता के लिए बाद में आते हैं। यह स्थानीय समन्वय इतनी तेज़ी से होता है कि यह पुराने भारी फ्लाईव्हील्स के प्राकृतिक प्रतिरोध की नकल करता है, भले ही भौतिक भार गायब हो।

एक बार जब तत्काल संकट का प्रबंधन हो जाता है, तो सिस्टम का दूसरा स्तर ग्रिड को उसकी आदर्श स्थिति में बहाल करने का कार्य संभालता है। प्रारंभिक प्रतिक्रिया के बाद भी, आवृत्ति अपने सटीक लक्ष्य पर वापस नहीं आ सकती है, और विभिन्न जुड़े हुए क्षेत्रों के बीच बहने वाली बिजली असंतुलित हो सकती है। यहीं पर दूसरा स्तर काम आता है। यह प्रत्येक पूरे क्षेत्र को एक एकल एजेंट के रूप में मानता है जो अन्य क्षेत्रों के साथ संवाद करता है। हाई-वोल्टेज डायरेक्ट करंट लिंक का उपयोग करते हुए, सिस्टम यह समायोजित करता है कि एक क्षेत्र से दूसरे क्षेत्र में कितनी बिजली भेजी जाए। यह उन माध्यमिक समायोजनों का भी समन्वय करता है जो आवृत्ति को सामान्य लाने के लिए आवश्यक हैं और यह सुनिश्चित करता है कि कोई भी एक क्षेत्र सारा काम न कर रहा हो। यह स्तर सुनिश्चित करता है कि दीर्घकालिक रिकवरी न केवल स्थिर हो, बल्कि किफायती भी हो, जिससे प्रयास का वितरण इस तरह हो कि ग्रिड चलाने की समग्र लागत न्यूनतम रहे।

अपने विचार का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने दुनिया भर के इंजीनियरों द्वारा उपयोग किए जाने वाले एक मानक मॉडल पर आधारित तीन-क्षेत्रीय पावर सिस्टम का विस्तृत सिमुलेशन बनाया। उन्होंने एक क्षेत्र में मांग के अचानक उछाल को पेश किया, जो ग्रिड में एक महत्वपूर्ण नए लोड को जोड़ने के बराबर था। उन्होंने अपनी नई दो-स्तरीय विधि की तुलना पारंपरिक नियंत्रण रणनीतियों से की। परिणाम दर्शाते हैं कि उनका दृष्टिकोण काफी अधिक प्रभावी था। आवृत्ति कम तेजी से गिरी, तेजी से सुधरी, और कम दोलन (ऑसिलेशन) के साथ सही मान पर वापस आ गई। शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि आवृत्ति को नियंत्रित करने की कुल लागत कम थी। सिस्टम ने सभी संसाधनों को, पारंपरिक जनरेटरों से लेकर इलेक्ट्रॉनिक कन्वर्टरों तक, उनकी सुरक्षित परिचालन सीमाओं के भीतर रखा, जिससे किसी भी एकल इकाई पर अत्यधिक भार पड़ने या क्षतिग्रस्त होने से बचा जा सके।

अध्ययन ने यह भी जांचा कि यदि इन संसाधनों के बीच संचार विफल हो जाता है, तो क्या होगा, जो किसी भी वितरित प्रणाली के लिए एक वास्तविक चिंता है। उन्होंने एक परिदृश्य का सिमुलेशन किया जहाँ एक क्षेत्र में दो संसाधनों के बीच का कनेक्शन कट गया। इस टूटे हुए लिंक के बावजूद, सिस्टम स्थिर रहा। शेष संसाधनों ने लापता जानकारी की भरपाई करने के लिए अपने व्यवहार को समायोजित किया, और आवृत्ति फिर भी सुचारू रूप से बहाल हुई। इसने प्रदर्शित किया कि यह पद्धति मजबूत (रोबस्ट) है; यह कार्य करने के लिए एक पूर्ण, अटूट नेटवर्क पर निर्भर नहीं है। यह आधुनिक ग्रिड की जटिल वास्तविकता को संभाल सकती है जहाँ कनेक्शन विफल हो सकते हैं या जहाँ संसाधन अप्रत्याशित व्यवहार कर सकते हैं।

निष्कर्ष बताते हैं कि जैसे-जैसे पावर ग्रिड विकसित होते रहेंगे और नवीकरणीय ऊर्जा एवं इलेक्ट्रॉनिक कनेक्शनों पर अधिक निर्भर होंगे, केंद्रीय नियंत्रण के पुराने तरीके अब पर्याप्त नहीं हैं। स्थिरता की कुंजी इन विविध संसाधनों को स्थानीय रूप से और तेज़ी से समन्वय करने की अनुमति देने में निहित है, जबकि पूरे परस्पर जुड़े सिस्टम का व्यापक दृष्टिकोण बनाए रखना भी आवश्यक है। ग्रिड को एजेंटों के एक संग्रह के रूप में देखने के बजाय जो बातचीत और अनुकूलन कर सकते हैं, बजाय एक ऐसी मशीन के जिसे ऊपर से कमांड दिया जाना चाहिए, इंजीनियर इसकी स्थिरता और दक्षता बनाए रख सकते हैं। यह शोध एक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है कि भविष्य के ग्रिड विश्वसनीयता से समझौता किए बिना उच्च स्तर की नवीकरणीय ऊर्जा को कैसे एकीकृत कर सकते हैं। यह कार्य पुष्टि करता है कि सही समन्वय के साथ, कई अलग-अलग हिस्सों से बना ग्रिड एक एकल, लचीले संपूर्ण के रूप में कार्य कर सकता है।