A diagnostic of voltage infeasibility at low net load and the role of inverter-based grid support
यह शोध पत्र एक नैदानिक प्रक्रिया प्रस्तुत करता है जो यह प्रदर्शित करती है कि कम शुद्ध भार (low net load) के दौरान ऊपरी वोल्टेज सीमा का उल्लंघन अक्सर अधिशेष के बजाय रिएक्टिव पावर की कमी के कारण होता है, जो ऐसी अक्षमताओं को रोकने में इन्वर्टर-आधारित ग्रिड सहायता और उचित वोल्टेज नियंत्रण की महत्वपूर्ण भूमिका को रेखांकित करता है।
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बिजली ग्रिड एक विशाल, नाजुक मशीन है जिसे आपूर्ति और मांग के बीच उसी क्षण संतुलन बनाना होता है जब वे घटित होते हैं। जब सूरज चमकता है और हवा तेज चलती है, तो सौर और पवन फार्म जैसे नवीकरणीय स्रोत इतनी बिजली पैदा कर सकते हैं कि वे दिन की अधिकांश जरूरतों को पूरा कर सकें। मांग के इन कम घंटों में, पारंपरिक बिजली संयंत्र जो आमतौर पर सिस्टम को स्थिर रखते हैं, अक्सर पैसे बचाने के लिए बंद कर दिए जाते हैं। इससे ग्रिड में उन बड़ी मशीनों की संख्या कम हो जाती है जो वोल्टेज को नियंत्रित करने में सक्षम होती हैं, यानी वह विद्युत दबाव जो तारों के माध्यम से करंट को आगे बढ़ाता है। यदि यह दबाव बहुत अधिक हो जाता है, तो यह उपकरणों को नुकसान पहुँचा सकता है और ब्लैकआउट का कारण बन सकता है; यदि यह बहुत कम हो जाता है, तो लाइटें टिमटिमाती हैं और उपकरण विफल हो जाते हैं। वर्षों से, इंजीनियरों को चिंता थी कि जब नवीकरणीय ऊर्जा का वर्चस्व होगा, तो ग्रिड अत्यधिक वोल्टेज से ग्रस्त हो जाएगा, एक ऐसी स्थिति जो दबाव को कम करने के लिए अतिरिक्त ऊर्जा को सोखने (absorb) की मांग करती प्रतीत होती थी।
सेविले विश्वविद्यालय, स्पेन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती दी है। उन्होंने जांच की कि क्या होता है जब ग्रिड नवीकरणीय ऊर्जा से भर जाता है और पारंपरिक बिजली संयंत्र बंद कर दिए जाते हैं, एक ऐसी स्थिति जिसने हाल ही में इबेरियन प्रायद्वीप में एक बड़ा ब्लैकआउट पैदा किया था। तीन अलग-अलग विद्युत नेटवर्क के उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने एक नया तरीका विकसित किया जिससे यह पता लगाया जा सके कि ग्रिड क्यों विफल होता है। उनका काम यह प्रकट करता है कि जब मांग के इन कम घंटों में वोल्टेज बहुत अधिक हो जाता है, तो यह अक्सर विपरीत समस्या का संकेत होता है: समर्थन की भारी कमी, न कि बिजली की अधिकता। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल ऊर्जा को सोखने की कोशिश करना, जैसा कि मानक सुरक्षा जाँचें अक्सर सुझाव देती हैं, स्थिति को और खराब कर देगा। इसके बजाय, समाधान यह है कि विशिष्ट बिजली संयंत्रों को सक्रिय समर्थन प्रदान करने के लिए ऑनलाइन रखा जाए और यह सुनिश्चित किया जाए कि बैटरी स्टोरेज सिस्टम बिजली खींचना जारी न रखें जब उनके स्थानीय जनरेटर विफल हो जाएं।
यह अध्ययन उन घंटों को देखकर शुरू हुआ जब नवीकरणीय ऊर्जा लगभग पूरी मांग को पूरा करती है। इन समयों में, लागत-संचालित प्रणाली अधिकांश बड़े, सिंक्रोनस जनरेटरों को बंद कर देती है जो पारंपरिक रूप से वोल्टेज को स्थिर रखते हैं। शोधकर्ताओं ने एक सरल लेकिन महत्वपूर्ण प्रश्न पूछा: क्या शेष उपकरण किसी भी एकल बिजली संयंत्र के अचानक विफल होने से पहले और बाद में वोल्टेज को सुरक्षित सीमाओं के भीतर रख सकते हैं? इसका उत्तर देने के लिए, उन्होंने एक डायग्नोस्टिक टूल बनाया जो ग्रिड के लिए एक मेडिकल स्कैन की तरह कार्य करता है। केवल यह देखने के बजाय कि वोल्टेज कहाँ उच्चतम है, यह टूल हजारों परिदृश्यों का अनुकरण करता है ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि क्या सिस्टम वास्तव में ऊर्जा की अधिकता के कारण विफल हो रहा है या ऊर्जा की कमी के कारण। उन्होंने इसका परीक्षण एक छोटे नौ-बस सिस्टम, एक बड़े उनतालीस-बस नेटवर्क और एक वास्तविक दुनिया के ग्रिड के जटिल तिहत्तर-बस मॉडल पर किया, जिसमें मांग सबसे कम और नवीकरणीय आउटपुट सबसे अधिक वाले घंटों के लिए सिमुलेशन चलाया गया।
परिणाम आश्चर्यजनक और प्रति-सहज (counterintuitive) थे। लगभग हर मामले में जहाँ ग्रिड विफल हुआ, सिस्टम वास्तव में 'रिएक्टिव पावर' की कमी से जूझ रहा था, जो वोल्टेज बनाए रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा का एक रूप है, न कि बिजली की अधिकता से। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट तंत्र की खोज की जो वोल्टेज को खतरनाक रूप से ऊपर की ओर धकेलता है। कल्पना कीजिए कि एक लंबा, कम लोड वाला केबल एक बिजली स्रोत से एक दूरस्थ शहर तक फैला हुआ है। क्योंकि केबल बहुत कम करंट ले जा रहा है, यह स्वाभाविक रूप से अपना स्वयं का वोल्टेज उत्पन्न करता है, जिससे दूर छोर पर दबाव बढ़ जाता है। दूरस्थ शहर में वोल्टेज को बहुत कम होने से बचाने के लिए, सिस्टम को स्रोत पर वोल्टेज को और भी अधिक बढ़ाने के लिए मजबूर होना पड़ता है। यह क्रिया केबल के छोर पर वोल्टेज को सुरक्षा सीमा से ऊपर धकेल देती है। एक मानक जाँच उच्च वोल्टेज को देखती है और मान लेती है कि वहां बहुत अधिक शक्ति है, जिससे ऊर्जा को सोखने वाले उपकरणों को स्थापित करने का सुझाव मिलता है। हालांकि, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह गलत कदम होगा। असली समस्या यह थी कि दूरस्थ शहर को अधिक समर्थन की आवश्यकता थी, न कि कम की। केबल के छोर पर ऊर्जा को सोखने वाले उपकरण जोड़ने से वास्तव में वोल्टेज और भी बढ़ गया, जिससे विफलता और बदतर हो गई।
अध्ययन में यह भी देखा गया कि आधुनिक बिजली संयंत्र, जो ग्रिड से जुड़ने के लिए इन्वर्टर का उपयोग करते हैं, कैसे मदद कर सकते हैं। इन संयंत्रों को सीधे वोल्टेज नियंत्रित करने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है, जिससे वे उन पारंपरिक जनरेटरों की तरह कार्य करते हैं जिन्हें वे प्रतिस्थापित करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जब इन संयंत्रों को वोल्टेज नियंत्रण के लिए सेट किया जाता है, तो सुरक्षित संचालन के घंटों की संख्या नाटकीय रूप से बढ़ जाती है। एक बड़े सिस्टम में, सुरक्षित रूप से संचालित होने वाले घंटों का हिस्सा केवल नौ प्रतिशत से बढ़कर ७३ प्रतिशत हो गया जब संयंत्रों ने निश्चित सेटिंग के बजाय वोल्टेज नियंत्रण का उपयोग किया। यह सुधार मुख्य रूप से मांग पर रिएक्टिव पावर उत्पन्न करने या अवशोषित करने की उनकी क्षमता से आया। भले ही इन संयंत्रों के पास यह करने की सामान्य क्षमता का केवल आधा हिस्सा होता, फिर भी वे पूर्ण क्षमता वाले संयंत्रों के समान प्रदर्शन करते जो एक निश्चित आउटपुट पर सेट थे। मुख्य बात गतिशील रूप से समायोजन करने की क्षमता थी, जिससे वोल्टेज को स्थिर रखने के लिए लूप को बंद किया जा सके।
एक अन्य महत्वपूर्ण निष्कर्ष में वे बैटरियां शामिल थीं जो अक्सर इन नवीकरणीय संयंत्रों के साथ स्थित होती हैं। कई वर्तमान डिजाइनों में, यदि कोई सौर या पवन संयंत्र विफल हो जाता है, तो उसी स्थान पर स्थित बैटरी चार्जिंग जारी रख सकती है, जिससे ग्रिड से बिजली खींची जाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह व्यवहार खतरनाक हो सकता है। जब कोई संयंत्र विफल होता है, तो क्षेत्र बिजली के स्रोत को खो देता है, लेकिन यदि बैटरी चार्जिंग जारी रखती है, तो यह एक अतिरिक्त भार (drain) के रूप में कार्य करती है, जिससे स्थानीय ऊर्जा की कमी और गहरी हो जाती है। अपने सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने पाया कि एक बैटरी जो अपने संयंत्र के विफल होने के बाद भी चार्ज होती रहती है, वह उन मामलों में सुरक्षित संचालन की क्षमता को खत्म कर देती है जहाँ सिस्टम अन्यथा स्थिर होता। महत्वपूर्ण बात यह है कि समस्या पैदा करने वाली बैटरी हमेशा उस स्थान की नहीं थी जहाँ सबसे बड़ी विफलता हुई थी। यह अक्सर किसी दूसरे स्थान की बैटरी थी जो ग्रिड के एक दूरस्थ, संवेदनशील हिस्से को बिजली दे रही थी। इसका मतलब है कि सुरक्षा नियमों को केवल सबसे बड़े आउटेज वाले स्थान पर ध्यान केंद्रित नहीं करना चाहिए; उन्हें यह अनिवार्य करना चाहिए कि प्रत्येक बैटरी, जो किसी संयंत्र से जुड़ी है, उस संयंत्र के विफल होते ही चार्जिंग तुरंत बंद कर दे।
शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि ग्रिड विफलताओं को पढ़ने का मानक तरीका अक्सर भ्रामक होता है। जब कोई सुरक्षा जाँच उच्च वोल्टेज सीमा को चिह्नित करती है, तो इसका मतलब स्वतः यह नहीं है कि सिस्टम में बहुत अधिक बिजली है। नवीकरणीय ऊर्जा प्रधान भविष्य के कम मांग वाले घंटों में, उच्च वोल्टेज रीडिंग अक्सर स्थानीय कमी का लक्षण होती है, जहाँ ग्रिड एक दूरस्थ भार (load) को सहारा देने के लिए बहुत अधिक खिंच रहा होता है। इसका उपचार ऊर्जा को सोखना नहीं है, बल्कि वहां आपूर्ति करना है जहां इसकी कमी है, चाहे वह पास की पारंपरिक इकाइयों को ऑनलाइन रखना हो या आधुनिक इन्वर्टर की वोल्टेज नियंत्रण क्षमताओं का उपयोग करना हो। उनके द्वारा बनाया गया डायग्नोस्टिक टूल बिना नेटवर्क के विस्तृत लेआउट को जाने भी इन दो स्थितियों के बीच अंतर कर सकता है, जो ऑपरेटरों को लाइट चालू रखने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। यह समझकर कि उच्च वोल्टेज समर्थन की कमी का संकेत दे सकता है, ग्रिड प्रबंधक गलत समाधान लागू करने से बच सकते हैं और इसके बजाय ग्रिड को ठीक वहीं मजबूत कर सकते हैं जहाँ वह सबसे कमजोर है।
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