बड़े पैमाने पर नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन के लिए पावर इलेक्ट्रॉनिक्स: प्रौद्योगिकियाँ, चुनौतियाँ और भविष्य

1. परिचय

पर्यावरणीय चुनौतियों और संसाधनों की कमी के कारण, वैश्विक ऊर्जा परिदृश्य जीवाश्म ईंधन से एक मौलिक परिवर्तन से गुजर रहा है। नवीकरणीय ऊर्जा, विशेष रूप से पवन और सौर फोटोवोल्टिक, में विस्फोटक वृद्धि हुई है, जिसकी कुल स्थापित क्षमता 2020 तक जलविद्युत से अधिक हो गई थी। 2021 के अंत तक, वैश्विक नवीकरणीय ऊर्जा स्थापित क्षमता 3000 गीगावॉट से अधिक हो गई, जिसमें पवन और सौर ऊर्जा का हिस्सा दो-तिहाई से अधिक था। बड़े पैमाने पर, परिवर्तनशील नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन में इस संक्रमण के लिए मौजूदा ग्रिड के साथ इसके कुशल और विश्वसनीय एकीकरण को सक्षम करने के लिए उन्नत प्रौद्योगिकियों की आवश्यकता है। जटिल नियंत्रण एल्गोरिदम पर आधारित पावर इलेक्ट्रॉनिक कन्वर्टर्स इस ग्रिड एकीकरण को प्राप्त करने की एक महत्वपूर्ण सक्षम तकनीक बन गए हैं, जो ऊर्जा के उत्पादन, रूपांतरण और संचरण के तरीके को बदल रहे हैं।

2. नवीकरणीय ऊर्जा ग्रिड एकीकरण में पावर इलेक्ट्रॉनिक्स की भूमिका

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स परिवर्तनशील नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों और एसी ग्रिड की कठोर आवश्यकताओं के बीच एक अनिवार्य इंटरफ़ेस है।

3. तकनीकी फोकस: पवन ऊर्जा, सौर ऊर्जा और ऊर्जा भंडारण

4. नियंत्रण रणनीति: उपकरण से प्रणाली तक

5. भविष्य के अनुसंधान की संभावनाएँ

लेख ने प्रमुख भविष्य के अनुसंधान दिशाओं की रूपरेखा प्रस्तुत की है: 1) प्रणाली स्थिरता बढ़ाने के लिए उन्नत ग्रिड-फॉर्मिंग नियंत्रण रणनीतियाँ। 2) उच्च दक्षता और शक्ति घनत्व प्राप्त करने के लिए वाइड बैंडगैप अर्धचालकों (जैसे SiC, GaN) पर आधारित इन्वर्टर का विकास। 3) पूर्वानुमानित रखरखाव, दोष निदान और इन्वर्टर क्लस्टर के इष्टतम नियंत्रण के लिए कृत्रिम बुद्धिमत्ता और डेटा-संचालित विधियों का अनुप्रयोग। 4) अंतरसंचालनीयता सुनिश्चित करने के लिए ग्रिड कोड और इन्वर्टर इंटरफेस का मानकीकरण। 5) संचार-निर्भर समन्वय नियंत्रण प्रणालियों की साइबर सुरक्षा।

7. मुख्य अंतर्दृष्टि

• सशक्तिकरणकर्ता और विघटनकर्ता: पावर इलेक्ट्रॉनिक्स बड़े पैमाने पर नवीकरणीय ऊर्जा का एक प्रमुख सशक्तिकर्ता है, लेकिन नई ग्रिड स्थिरता चुनौतियों (जैसे कम जड़त्व) का भी एक प्रमुख स्रोत है।
• नियंत्रण ही राजा है: सरल ग्रिड-फॉलोइंग नियंत्रण से बुद्धिमान ग्रिड-फॉर्मिंग नियंत्रण की ओर विकास, भविष्य की ग्रिड स्थिरता का सबसे महत्वपूर्ण रुझान है।
• ऊर्जा भंडारण अनिवार्य है: बड़े पैमाने पर नवीकरणीय ऊर्जा एकीकरण तब तक संभव नहीं है, जब तक कि संतुलन और ग्रिड सेवाएं प्रदान करने के लिए बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा प्रबंधित बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण मौजूद न हो।
• सिस्टम-स्तरीय सोच: फोकस को व्यक्तिगत कन्वर्टर्स के अनुकूलन से हटाकर, पूरे विषम संसाधन समूह (पवन, सौर, भंडारण) को एक वर्चुअल पावर प्लांट के रूप में समन्वित करने पर केंद्रित किया जाना चाहिए।

8. निष्कर्ष

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, नवीकरणीय ऊर्जा-प्रधान टिकाऊ ऊर्जा प्रणालियों में परिवर्तन की आधारशिला है। हालांकि यह अस्थिर बिजली स्रोतों को ग्रिड से जोड़ने की मूलभूत समस्या का समाधान करता है, लेकिन यह जटिल स्थिरता और नियंत्रण चुनौतियाँ भी पैदा करता है। भविष्य का मार्ग केवल बेहतर हार्डवेयर से नहीं, बल्कि काफी अधिक बुद्धिमान, अनुकूली और समन्वित नियंत्रण प्रणालियों से जुड़ा है, ताकि कन्वर्टर-आधारित संसाधन पारंपरिक रूप से सिंक्रोनस मशीनों द्वारा प्रदान की जाने वाली विश्वसनीयता और लचीलापन प्रदान कर सकें। नवीकरणीय ऊर्जा और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स की लागत में निरंतर गिरावट इस परिवर्तन को और तेज करेगी।

9. मूल विश्लेषण: प्रमुख उद्योग परिप्रेक्ष्य

कोर इनसाइट्स: यह लेख बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स की नवीकरणीय ऊर्जा संक्रमण में नायक और संभावित घातक कमजोरी दोनों की दोहरी भूमिका को सही ढंग से इंगित करता है। इसका मूल तर्क - उन्नत नियंत्रण को उस प्रणाली अस्थिरता को प्रबंधित करने के लिए विकसित होना चाहिए जो स्वयं संक्रमण को सक्षम करने वाले इन्वर्टर द्वारा पेश की जाती है - केवल शैक्षणिक नहीं है; यह वैश्विक ग्रिड ऑपरेटरों (कैलिफोर्निया के CAISO से लेकर यूरोप के ENTSO-E तक) के लिए एक अरबों डॉलर का परिचालन चुनौती है।

तार्किक संरचना और शक्तियाँ: लेख की संरचना कठोर है, जो व्यापक ऊर्जा रुझानों से लेकर विशिष्ट प्रौद्योगिकियों (पवन, सौर, भंडारण) तक जाती है, और फिर नियंत्रण के मूल मुद्दे में गहराई से उतरती है। इसकी मुख्य शक्ति डिवाइस-स्तरीय इन्वर्टर नियंत्रण (जैसे करंट कंट्रोल लूप) को सीधे सिस्टम-स्तरीय घटनाओं (जैसे जड़त्व में कमी) से जोड़ने में निहित है। यह अक्सर अनदेखी की जाने वाली कड़ी, इंजीनियरिंग डिजाइन और ग्रिड-पैमाने के प्रभाव को जोड़ती है। वैश्विक क्षमता डेटा का हवाला देकर चर्चा को एक तत्काल वास्तविकता में स्थापित किया गया है।

कमियाँ और चूक: यह विश्लेषण "क्या" और "क्यों" की व्याख्या में तो विस्तृत है, लेकिन "किस हद तक" पर कम ध्यान देता है। इसने जड़त्व में कमी का उल्लेख तो किया है, लेकिन जोखिम सीमा या ग्रिड-फॉर्मिंग इन्वर्टर, वर्चुअल इनर्शिया जैसे समाधानों की लागत को मात्रात्मक रूप से नहीं बताया है। इसने विशाल सॉफ्टवेयर और साइबर सुरक्षा चुनौतियों को भी कम आंका है। जैसा कि यूएस डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी की Grid Modernization Initiative ने जोर दिया है, भविष्य की ग्रिड एक साइबर-फिजिकल सिस्टम है। एक समन्वित इन्वर्टर क्लस्टर के नियंत्रण संकेतों में गड़बड़ी होने पर, यह उतनी ही तेजी से अस्थिरता पैदा कर सकती है जितनी किसी भौतिक खराबी से। इसके अलावा, हालांकि कृत्रिम बुद्धिमत्ता का उल्लेख किया गया है, लेकिन यह "ब्लैक बॉक्स" समस्या से सीधे नहीं निपटता - ग्रिड ऑपरेटर उन एल्गोरिदम को स्थिरता का भार सौंपने में बेहद अनिच्छुक हैं जिन्हें वे पूरी तरह से समझ और ऑडिट नहीं कर सकते, MIT Laboratory for Information and Decision Systems जैसे संस्थानों के शोध ने इस बात को प्रबल रूप से प्रदर्शित किया है।

क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि: उद्योग के हितधारकों के लिए, यह लेख तात्कालिक मील के पत्थरों के साथ एक स्पष्ट रोडमैप है। 1) उपयोगिता कंपनियाँ और ग्रिड ऑपरेटर: ग्रिड इंटरकनेक्शन मानकों को तुरंत अपडेट किया जाना चाहिए, जो नए बड़े नवीकरणीय ऊर्जा संयंत्रों को स्थिर शक्ति गुणक आवश्यकताओं से परे ग्रिड-फॉर्मिंग क्षमता और विशिष्ट गतिशील प्रदर्शन से लैस होने के लिए अनिवार्य करते हैं।2) इन्वर्टर निर्माता: 研发竞赛不再仅仅是关于效率（$\eta > 99\%$）；而是关于嵌入固件的智能和电网支持功能。3) निवेशक: सर्वोच्च विकास क्षमता सोलर पैनल या टर्बाइन निर्माण में नहीं, बल्कि इन स्थिरता और समन्वय समस्याओं को हल करने वाली पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, कंट्रोल सॉफ़्टवेयर और ग्रिड एज एनालिटिक्स कंपनियों में निहित है। परिवर्तन का अगला चरण स्थापित क्षमता से नहीं, बल्कि प्रदान की गई नियंत्रणीयता से परिभाषित होगा।

10. तकनीकी गहन विश्लेषण

ग्रिड-फॉलोइंग करंट कंट्रोल का गणितीय सूत्रीकरण: एक मूलभूत नियंत्रण तकनीक में पार्क ट्रांसफॉर्मेशन का उपयोग शामिल है, जो फेज-लॉक्ड लूप सिंक्रनाइज़ेशन के माध्यम से, तीन-फेज ग्रिड धाराओं ($i_a, i_b, i_c$) को सिंक्रोनस रोटेटिंग कोऑर्डिनेट सिस्टम (d-q कोऑर्डिनेट सिस्टम) में परिवर्तित करता है। नियंत्रण का लक्ष्य सक्रिय शक्ति (P) को नियंत्रित करने के लिए d-अक्ष धारा ($i_d$) को और प्रतिक्रियाशील शक्ति (Q) को नियंत्रित करने के लिए q-अक्ष धारा ($i_q$) को विनियमित करना है।

शक्ति समीकरण हैं:

$P = \frac{3}{2} (v_d i_d + v_q i_q) \approx \frac{3}{2} V_{grid} i_d$ (यह मानते हुए कि $v_q \approx 0$)

$Q = \frac{3}{2} (v_q i_d - v_d i_q) \approx -\frac{3}{2} V_{grid} i_q$

जहाँ $v_d$ और $v_q$ ग्रिड वोल्टेज घटक हैं। आमतौर पर, करंट त्रुटि के आधार पर वोल्टेज संदर्भ मान ($v_d^*, v_q^*$) उत्पन्न करने के लिए एक आनुपातिक-अभिन्न नियंत्रक का उपयोग किया जाता है, जिसे फिर स्थिर समन्वय प्रणाली में वापस परिवर्तित किया जाता है ताकि कनवर्टर स्विचिंग के लिए पल्स-विड्थ मॉड्यूलेशन सिग्नल उत्पन्न किया जा सके।

प्रयोगात्मक परिणाम और चार्ट विवरण: PDF में संदर्भित चित्र 1 एक ऐतिहासिक लाइन चार्ट है जो 1800 से 2019 तक वैश्विक प्राथमिक ऊर्जा खपत संरचना को दर्शाता है। यह प्रमुख प्रयोगात्मक परिणाम को स्पष्ट रूप से प्रस्तुत करता है: 20वीं सदी की शुरुआत में लगभग 100% से जीवाश्म ईंधन (कोयला, तेल, प्राकृतिक गैस) की हिस्सेदारी में धीरे-धीरे लेकिन महत्वपूर्ण गिरावट, और पिछले दो दशकों में आधुनिक नवीकरणीय ऊर्जा (पवन, सौर, जैव ईंधन) की संगत वृद्धि। हालाँकि, चार्ट का सबसे महत्वपूर्ण निहितार्थ - जो डेटा में अंतर्निहित है - यह है कि वृद्धि के बावजूद, 2019 तक जीवाश्म ईंधन अभी भी 80% से अधिक की हिस्सेदारी के साथ ऊर्जा संरचना पर हावी है, जो शेष परिवर्तन चुनौती के पैमाने को स्पष्ट रूप से उजागर करता है। यह अनुभवजन्य डेटा पेपर के बड़े पैमाने पर नवीकरणीय ऊर्जा एकीकरण में तेजी लाने के संपूर्ण तर्क का समर्थन करता है।

11. विश्लेषणात्मक ढांचा: सिस्टम-स्तरीय स्थिरता मूल्यांकन केस स्टडी

परिदृश्य: एक उच्च अनुपात में फोटोवोल्टिक पैठ वाले क्षेत्रीय विद्युत ग्रिड की, एक बड़े पारंपरिक जनरेटर के अचानक ग्रिड से अलग होने के बाद, आवृत्ति स्थिरता का मूल्यांकन करना।

फ्रेमवर्क चरण:

1. मॉडलिंग: DIgSILENT PowerFactory या MATLAB/Simulink जैसे टूल्स में पावर ग्रिड डायनेमिक मॉडल बनाएं। इसमें शामिल हैं:
   • सिंक्रोनस जनरेटर (गवर्नर और ऑटोमैटिक वोल्टेज रेगुलेटर मॉडल के साथ)।
   • एक बड़ा सोलर पीवी पावर प्लांट, जिसे करंट कंट्रोल वाले और कोई आंतरिक जड़त्व न रखने वाले ग्रिड-फॉलोइंग इन्वर्टर्स के एक एग्रीगेट के रूप में मॉडल किया गया है।
   • लोड।
2. बेसलाइन सिमुलेशन: जनरेटर ट्रिपिंग घटना का अनुकरण करें। आवृत्ति परिवर्तन दर और न्यूनतम आवृत्ति बिंदु को मापें।
3. विश्लेषण: उच्च आवृत्ति परिवर्तन दर और गहराई की न्यूनतम आवृत्ति जड़त्व की अपर्याप्तता को प्रमाणित करेगी। समतुल्य प्रणाली जड़त्व स्थिरांक की गणना करें, और उच्च अनुपात में सौर ऊर्जा संयोजन से पहले के स्तर के साथ इसकी तुलना करें।
4. हस्तक्षेप सिमुलेशन: सौर ऊर्जा संयंत्र मॉडल को संशोधित करें। कुछ ग्रिड-फॉलोइंग इन्वर्टर्स कोग्रिड-फॉर्मिंग इन्वर्टर्ससे बदलें, ये इन्वर्टर आवृत्ति परिवर्तन दर के समानुपाती शक्ति प्रतिक्रिया प्रदान करके जड़त्व का अनुकरण कर सकते हैं ($P_{support} = -K_{d} \cdot \frac{df}{dt}$)।
5. तुलना एवं निष्कर्ष: दोष परिदृश्य को पुनः चलाएं। बेहतर आवृत्ति परिवर्तन दर और उथले आवृत्ति न्यूनतम बिंदु ने ग्रिड-सहायक उन्नत पावर इलेक्ट्रॉनिक्स नियंत्रण के मूल्य को मात्रात्मक रूप से प्रदर्शित किया। यह मामला पेपर में प्रस्तावित शोध दिशा के लिए एक प्रत्यक्ष, सिमुलेशन-आधारित प्रमाण प्रदान करता है।

यह एक सरलीकृत संकल्पनात्मक मामला है। वास्तविक शोध में यादृच्छिक पीढ़ी वक्र, संचार विलंब और सुरक्षा समन्वय शामिल हैं।

12. अनुप्रयोग संभावनाएं और भविष्य की दिशाएं

• हाइब्रिड पावर प्लांट: एक ही स्थान पर स्थित पवन, सौर और ऊर्जा भंडारण को एक एकल पावर इलेक्ट्रॉनिक्स प्लेटफॉर्म ("हाइब्रिड इन्वर्टर" या पावर प्लांट कंट्रोलर) के माध्यम से एकीकृत नियंत्रण, नए बड़े उपयोगिता-पैमाने की परियोजनाओं के लिए मानक बन जाएगा, जो ग्रिड मूल्य और भूमि उपयोग को अधिकतम करता है।
• डीसी ग्रिड और इंटरकनेक्शन: उन्नत पावर इलेक्ट्रॉनिक्स (वोल्टेज सोर्स कन्वर्टर तकनीक) पर आधारित एचवीडीसी और एमवीडीसी सिस्टम भविष्य के ग्रिड की रीढ़ बनेंगे, जो ऑफशोर विंड फार्मों को जोड़ेंगे और नवीकरणीय ऊर्जा के लंबी दूरी, कम नुकसान वाले संचरण को सक्षम करेंगे।
• वितरित ऊर्जा प्रबंधन प्रणाली: पाठ में वर्णित समन्वय वितरित ऊर्जा प्रबंधन प्रणाली प्लेटफ़ॉर्म द्वारा प्राप्त किया जाएगा, जो वास्तविक समय डेटा और कृत्रिम बुद्धिमत्ता का उपयोग करके लाखों वितरित संपत्तियों (छत सौर, इलेक्ट्रिक वाहन, घरेलू बैटरी) को एक आभासी बिजली संयंत्र के रूप में एकत्रित और नियंत्रित करते हैं, जिससे पहले से कहीं अधिक सूक्ष्मता के साथ ग्रिड सेवाएं प्रदान की जाती हैं।
• सामग्री विज्ञान में अग्रिम: सिलिकॉन कार्बाइड और गैलियम नाइट्राइड ट्रांजिस्टर का व्यापक अपनाना छोटे, अधिक कुशल इन्वर्टर लाएगा जो उच्च तापमान और स्विचिंग आवृत्तियों पर काम कर सकते हैं, जिससे नए टोपोलॉजी का विकास होगा और लागत में और कमी आएगी।

13. संदर्भ सूची

1. F. Blaabjerg, Y. Yang, K. A. Kim, J. Rodriguez, "Power Electronics Technology for Large-Scale Renewable Energy Generation," Proceedings of the IEEE, vol. 111, no. 4, pp. 335-?, Apr. 2023. DOI: 10.1109/JPROC.2023.3253165.
2. International Renewable Energy Agency (IRENA), Renewable Capacity Statistics 2022, Abu Dhabi, 2022. [Online]. Available: https://www.irena.org/publications
3. U.S. Department of Energy, ग्रिड आधुनिकीकरण पहल बहु-वर्षीय कार्यक्रम योजना, 2021. [Online]. Available: https://www.energy.gov/gdo/grid-modernization-initiative
4. J. Zhu et al., "Grid-Forming Inverters: A Critical Asset for the Future Grid," IEEE Power and Energy Magazine, खंड. 18, नं. 6, पृ. 18-27, नवं./दिसं. 2020.
5. MIT Laboratory for Information and Decision Systems, "Reliable and Secure Electric Power Systems," Research Brief. [Online]. Available: https://lids.mit.edu/research/reliable-and-secure-electric-power-systems
6. National Renewable Energy Laboratory (NREL), "Advanced Power Electronics and Electric Machines," [Online]. Available: https://www.nrel.gov/transportation/advanced-power-electronics-electric-machines.html