ग्रिड-कनेक्टेड और ऑफ-ग्रिड माइक्रोग्रिड: प्रमुख अंतर एवं उपकरण आवश्यकताएँ

माइक्रोग्रिड के दो मूल संचालन मोड होते हैं: ग्रिड-कनेक्टेड और ऑफ-ग्रिड। दोनों के नियंत्रण तर्क, उपकरण चयन और सुरक्षा सेटिंग्स में स्पष्ट अंतर होता है। इन अंतरों को समझना किसी परियोजना के प्रारंभिक चरण में उपकरण चयन का आधार है।

1. दोनों प्रकार के माइक्रोग्रिड कैसे कार्य करते हैं

ग्रिड-कनेक्टेड संचालन में, माइक्रोग्रिड आम संयोजन बिंदु (पीसीसी) के माध्यम से बाहरी मुख्य ग्रिड से जुड़ा होता है। मुख्य ग्रिड का कार्य वोल्टेज और आवृत्ति को स्थिर रखना है। माइक्रोग्रिड के अंदर के वितरित जनरेटर्स और ऊर्जा भंडारण प्रणालियाँ ग्रिड का अनुसरण करती हैं और मुख्य रूप से सहयोग करती हैं, न कि समर्थन प्रदान करती हैं। बाहरी ग्रिड एक बहुत बड़े वोल्टेज स्रोत और आवृत्ति स्रोत की तरह कार्य करता है, और वह माइक्रोग्रिड के उतार-चढ़ाव को अवशोषित करता है।

ऑफ-ग्रिड संचालन में, पीसीसी को डिस्कनेक्ट कर दिया जाता है, और माइक्रोग्रिड एक छोटी स्वतंत्र विद्युत प्रणाली बन जाता है। इसके लिए कोई बाहरी स्रोत उपलब्ध नहीं होता है। माइक्रोग्रिड के अंदर के ऊर्जा भंडारण, फोटोवोल्टिक (पीवी), डीज़ल जनरेटर्स और अन्य स्रोतों को स्वयं वोल्टेज और आवृत्ति स्थापित करनी होती है तथा उत्पादन और भार के बीच संतुलन निरंतर बनाए रखना होता है। नियंत्रण मोड ग्रिड के अनुसरण से सक्रिय रूप से समर्थन प्रदान करने की ओर बदल जाता है, जिससे कठिनाई का स्तर काफी बढ़ जाता है।

दोनों मोड के बीच स्विच करना योजनाबद्ध स्विचिंग और अनयोजित स्विचिंग में विभाजित है। योजनाबद्ध स्विचिंग में तैयारी का समय होता है: पहले आंतरिक उत्पादन और लोड को समायोजित किया जा सकता है, फिर माइक्रोग्रिड को सुचारू रूप से डिस्कनेक्ट किया जा सकता है। अनयोजित स्विचिंग अक्सर ग्रिड दोष के कारण शुरू होती है। असामान्यता का पता लगाने के बाद, नियंत्रक को त्वरित रूप से डिस्कनेक्ट करना आवश्यक होता है और ऊर्जा भंडारण या बैकअप स्रोत को लोड संभालने के लिए सौंप देना चाहिए, जबकि कुछ गैर-महत्वपूर्ण लोड को काट दिया जाता है ताकि छोटी प्रणाली अतिभारित या विफल न हो। ऑफ-ग्रिड से ग्रिड-कनेक्टेड में वापस स्विच करते समय, पहले वोल्टेज, आवृत्ति और कला समकालिकता पूरी करनी आवश्यक है। अन्यथा, क्लोजिंग के क्षण पर झटका धारा उत्पन्न होगी जो उपकरणों को क्षति पहुँचा सकती है।

बिजली आउटेज के दौरान ऑफ-ग्रिड संचालन की तकनीकी चुनौतियाँ

उपयोगिता बिजली विफल होने और प्रणाली ऑफ-ग्रिड संचालन में जाने के बाद, सबसे बड़ा परिवर्तन यह है कि प्रणाली जड़त्व गायब हो जाता है मुख्य ग्रिड में कई घूर्णनशील मशीनें होती हैं, जो स्वाभाविक रूप से जड़त्व प्रदान करती हैं और अचानक लोड परिवर्तनों के कारण होने वाले आवृत्ति परिवर्तनों को अवशोषित कर सकती हैं। ऑफ-ग्रिड माइक्रोग्रिड छोटा होता है, और ऊर्जा भंडारण कनवर्टर जैसे शक्ति इलेक्ट्रॉनिक उपकरण समान भौतिक जड़त्व प्रदान नहीं कर सकते। आवृत्ति और वोल्टेज विक्षोभों के प्रति तेज़ी से और बड़े आयाम के साथ प्रतिक्रिया करते हैं।

इससे तीन विशिष्ट समस्याएँ उत्पन्न होती हैं। पहली, आवृत्ति और वोल्टेज का तीव्र नियमन । ऑफ-ग्रिड मोड में, ऊर्जा भंडारण कनवर्टर को ग्रिड-फॉलोइंग से ग्रिड-फॉर्मिंग में स्विच करने की आवश्यकता होती है और सक्रिय रूप से वोल्टेज और आवृत्ति संदर्भ स्थापित करना होता है। यह ग्रिड-कनेक्टेड मोड की तुलना में नियंत्रण के लिए काफी कठिन है। दूसरी, अनियोजित स्विचिंग की चिकनीता । यदि स्विचिंग के दौरान वोल्टेज या आवृत्ति में बहुत अधिक कमी आ जाती है, तो संवेदनशील लोड अचानक बंद हो सकते हैं या क्षतिग्रस्त हो सकते हैं। अतः स्विचिंग नियंत्रण को मिलीसेकंड के भीतर स्थिति की पहचान करनी चाहिए और रणनीति को समायोजित करना चाहिए। तीसरी, ग्राउंडिंग प्रणाली में परिवर्तन जब ग्रिड से जुड़ा होता है, तो अर्थिंग मुख्य ग्रिड द्वारा व्यवस्थित की जाती है। ऑफ-ग्रिड होने के बाद, अर्थिंग की विधि बदल सकती है, जो सीधे दोष धारा के पथ और सुरक्षा संचालन की सही व्यवस्था को प्रभावित करती है।

3. ट्रांसफॉर्मर, स्विचगियर और सुरक्षा प्रणालियों के लिए विभिन्न आवश्यकताएँ

ट्रांसफार्मर

ग्रिड-कनेक्टेड वास्तुकला में, ट्रांसफॉर्मर की क्षमता मुख्य रूप से माइक्रोग्रिड और ग्रिड के बीच ऊर्जा आदान-प्रदान पर निर्भर करती है, और वेक्टर समूह तथा अनुपात का चयन ग्रिड वोल्टेज के अनुकूल किया जाता है। ऑफ-ग्रिड वास्तुकला में, ट्रांसफॉर्मर को कम लोड और आघात लोड के तहत भी वोल्टेज को स्थिर रखना आवश्यक होता है, अतः वोल्टेज नियमन क्षमता और प्रतिबाधा डिज़ाइन पर अतिरिक्त आवश्यकताएँ लागू होती हैं। जब शॉर्ट-सर्किट क्षमता सीमित होती है, तो ट्रांसफॉर्मर की प्रतिबाधा दोष धारा को सीमित करने में भी सहायता करती है। झोंगमेंग के वितरण ट्रांसफॉर्मर और शुष्क-प्रकार के ट्रांसफॉर्मर माइक्रोग्रिड की क्षमता और लोड विशेषताओं के अनुसार वेक्टर समूहों तथा वोल्टेज नियमन विन्यासों को समायोजित कर सकते हैं, जिससे दोनों वास्तुकलाओं की विभिन्न प्राथमिकताओं के अनुकूल हो जाते हैं।

स्विचगियर

ग्रिड-कनेक्टेड और ऑफ-ग्रिड संचालन के बीच की सीमा आमतौर पर पीसीसी पर निर्धारित की जाती है। इस बिंदु पर स्विच को द्वि-दिशात्मक विच्छेदन क्षमता की आवश्यकता होती है: जब ग्रिड विफल हो जाता है, तो यह तेज़ी से कट जाना चाहिए ताकि माइक्रोग्रिड द्वारा दोषपूर्ण ग्रिड में शक्ति वापस प्रवाहित करने से रोका जा सके; और जब ऑफ-ग्रिड संचालन की आवश्यकता होती है, तो यह विश्वसनीय रूप से खुलना भी चाहिए। झोंगमेंग के उच्च-वोल्टेज और निम्न-वोल्टेज स्विचगियर तथा पूर्व-निर्मित केबिन उपकरण कारखाने में पूर्व-असेंबल और परीक्षणित किए जाते हैं। स्थल पर केवल तारों को जोड़ने की आवश्यकता होती है, जो त्वरित तैनाती की आवश्यकता वाले माइक्रोग्रिड परियोजनाओं के अनुकूल है।

सुरक्षा प्रणाली

यह दोनों वास्तुकला के बीच सबसे बड़े अंतर वाला क्षेत्र है। ग्रिड-कनेक्टेड संचालन में, दोष धारा मुख्य रूप से मुख्य ग्रिड द्वारा प्रदान की जाती है, और शॉर्ट-सर्किट धारा का स्तर अपेक्षाकृत उच्च होता है। ऑफ-ग्रिड संचालन में स्विच करने के बाद, शॉर्ट-सर्किट धारा केवल माइक्रोग्रिड के भीतर के वितरित स्रोतों द्वारा प्रदान की जाती है और यह ग्रिड-कनेक्टेड मान के केवल एक भिन्न हो सकती है। यदि सुरक्षा सेटिंग्स अभी भी ग्रिड-कनेक्टेड स्थितियों के लिए सेट हैं, तो रिले ऑफ-ग्रिड मोड में दोषों का पता लगाने में विफल हो सकता है और संचालित नहीं हो सकता है। अतः सुरक्षा प्रणाली को दोनों मोड में अनुकूलन क्षमता होनी चाहिए, या कम से कम मोड परिवर्तन के समय सुरक्षा सेटिंग समूहों को स्विच करने में सक्षम होना चाहिए। ग्रिड इंटरफ़ेस को दोनों ओर के दोषों—ग्रिड की ओर और माइक्रोग्रिड की ओर—को कवर करने के लिए द्वि-दिशात्मक सुरक्षा की भी आवश्यकता होती है। झोंगमेंग के सुरक्षा और नियंत्रण उपकरणों को स्विचगियर और ट्रांसफॉर्मर के साथ एक पूर्ण पैकेज में एकीकृत किया जा सकता है, जिससे विभिन्न आपूर्तिकर्ताओं के उपकरणों के बीच समन्वय के जोखिम कम हो जाते हैं।

4. ऑफ-ग्रिड प्रणालियों में वोल्टेज, आवृत्ति और लोड परिवर्तन संबंधी समस्याएँ

ऑफ-ग्रिड मोड में, वोल्टेज और आवृत्ति का समर्थन मुख्य ग्रिड द्वारा नहीं किया जाता है। इन्हें ऊर्जा भंडारण कनवर्टर या डीज़ल जनरेटर जैसे मुख्य नियंत्रण स्रोतों द्वारा वास्तविक समय में नियंत्रित किया जाता है। सामान्य संचालन लक्ष्य आवृत्ति को लगभग 50 हर्ट्ज़ के निकट बनाए रखना और वोल्टेज विचलन को लोड के लिए स्वीकार्य सीमा के भीतर रखना है। हालाँकि, वास्तविक संचालन में, फोटोवोल्टिक उत्पादन में परिवर्तन और बड़े लोड के प्रारंभ और समाप्त होने से दोनों ही विक्षोभ उत्पन्न होते हैं।

लोड विचरण ऑफ-ग्रिड प्रणाली के लिए सबसे प्रत्यक्ष परीक्षण है। जब कोई अपेक्षाकृत बड़ा मोटर शुरू होता है, तो वह तुरंत प्रणाली वोल्टेज को कम कर सकता है। जब बादलों के कारण फोटोवोल्टाइक आउटपुट अचानक कम हो जाता है, तो आवृत्ति बढ़ सकती है। ऐसी निरंतर विघटनों के तहत भी ऑफ-ग्रिड नियंत्रण स्थिर बना रहना चाहिए। इसी समय, बैटरी ऊर्जा भंडारण को उतार-चढ़ाव को समतल करने के लिए तेज़ी से शक्ति को चार्ज और डिस्चार्ज करना होगा, और आवश्यकता पड़ने पर प्राथमिकता के आधार पर कुछ गैर-महत्वपूर्ण लोड को हटाना होगा। मानक पहले से ही ऑफ-ग्रिड से ग्रिड-कनेक्टेड स्विचिंग समय को १० मिलीसेकंड से अधिक नहीं होने की आवश्यकता रखते हैं, लेकिन यह नियंत्रकों और स्विचगियर की प्रतिक्रिया गति पर बहुत उच्च संगतता आवश्यकताएँ लगाता है।

५. परियोजना के आरंभिक चरण में पुष्टि करने योग्य विद्युत पैरामीटर

जितने स्पष्ट आरंभिक चरण के पैरामीटर होंगे, उतना ही कम उपकरण चयन और सुरक्षा सेटिंग में पुनर्कार्य होगा। निम्नलिखित पैरामीटर पहले पुष्टि किए जाने चाहिए:

शॉर्ट-सर्किट धारा स्तर। अधिकतम और न्यूनतम शॉर्ट-सर्किट धाराओं को क्रमशः ग्रिड-कनेक्टेड और ऑफ-ग्रिड स्थितियों के लिए अलग-अलग प्राप्त किया जाना चाहिए। ग्रिड-कनेक्टेड मोड में, ये धाराएँ ग्रिड और वितरित स्रोतों द्वारा सामूहिक रूप से प्रदान की जाती हैं। ऑफ-ग्रिड मोड में, ये केवल वितरित स्रोतों द्वारा प्रदान की जाती हैं। इन दोनों के मान कई गुना भिन्न हो सकते हैं। यह स्विचगियर की ब्रेकिंग क्षमता के चयन और सुरक्षा मानों के निर्धारण का प्रत्यक्ष आधार है।

अर्थिंग विधि। ग्रिड पक्ष और माइक्रोग्रिड पक्ष पर अर्थिंग विधियों का समन्वय किया जाना चाहिए। न्यूट्रल अर्थिंग विधि एकल-चरण भू-दोष धारा के परिमाण और पथ को निर्धारित करती है, और यह ट्रांसफॉर्मर वेक्टर समूह के चयन को भी प्रभावित करती है। ऑफ-ग्रिड संचालन के बाद, अर्थिंग स्थितियाँ परिवर्तित हो सकती हैं; अतः डिज़ाइन चरण में स्विचिंग से पूर्व और उसके बाद की अर्थिंग व्यवस्था को परिभाषित किया जाना चाहिए।

ट्रांसफॉर्मर पैरामीटर। इनमें अंकित क्षमता, वोल्टेज अनुपात, वेक्टर समूह, प्रतिबाधा वोल्टेज और वोल्टेज नियमन विधि शामिल हैं। क्षमता का चयन माइक्रोग्रिड और बाहरी ग्रिड के बीच अधिकतम निरंतर विनिमय शक्ति के आधार पर किया जा सकता है, और ऑफ-ग्रिड मोड में प्रभाव भार को प्रारंभ करने की क्षमता की भी जाँच की जानी चाहिए।

हार्मोनिक विशेषताएँ। इन्वर्टर्स और गैर-रैखिक भारों के हार्मोनिक स्पेक्ट्रम, क्रम और सामग्री को पहले से ज्ञात होना चाहिए। हार्मोनिक्स शक्ति गुणवत्ता को प्रभावित करते हैं और ट्रांसफॉर्मर के अतिरिक्त तापन तथा कैपेसिटर अनुनाद का भी कारण बन सकते हैं। चयन के दौरान, संबंधित हार्मोनिक सहन क्षमता या शमन उपायों का मिलान किया जाना चाहिए।

अनुमेय आवृत्ति और वोल्टेज सीमाएँ। ग्रिड-कनेक्टेड और ऑफ-ग्रिड दोनों अवस्थाओं में संचालन सीमाएँ, साथ ही स्विचिंग के दौरान अनुमेय क्षणिक विचलनों को परिभाषित किया जाना चाहिए। ये संकेतक सीधे कन्वर्टर नियंत्रण रणनीति और सुरक्षा सेटिंग्स को निर्धारित करते हैं।

भार वर्गीकरण और अधिकतम प्रभाव भार। एक ऑफ-ग्रिड प्रणाली की क्षमता सीमित होती है। महत्वपूर्ण भार और गैर-महत्वपूर्ण भार के बीच अंतर करना आवश्यक है, तथा सबसे बड़े एकल मोटर की प्रारंभिक विधि और प्रारंभिक धारा की पुष्टि करनी चाहिए। यह ऊर्जा भंडारण कनवर्टर की अतिभार क्षमता और ऑफ-ग्रिड भार-कमी रणनीति के दहलीज़ को निर्धारित करता है।

झोंगमेंग उत्पाद एकीकरण बिंदु: उपरोक्त मापदंडों को अंततः विशिष्ट उपकरणों में लागू करने की आवश्यकता होती है। वितरण ट्रांसफॉर्मर वोल्टेज परिवर्तन और प्रतिबाधा मिलान का कार्य करते हैं। स्विचगियर पीसीसी (पॉइंट ऑफ कॉमन कनेक्शन) के खुलने/बंद होने और परिपथ सुरक्षा का प्रबंधन करता है। अनुकूलित बिजली वितरण उपकरण ट्रांसफॉर्मर, स्विचगियर, सुरक्षा एवं नियंत्रण और निगरानी को पूर्व-निर्मित केबिनों या पैड-माउंटेड उप-केंद्रों में एकीकृत करते हैं, जिससे स्थल पर असेंबली के दौरान समन्वय संबंधी त्रुटियाँ कम हो जाती हैं। यदि परियोजना के आरंभिक चरण में लघु-परिपथ धारा, भू-संपर्क विधि, हार्मोनिक्स और भार विशेषताओं की पुष्टि कर ली जाती है, तो पूर्ण उपकरणों को वास्तविक संचालन स्थितियों के अनुसार अनुकूलित किया जा सकता है, बजाय कि मानक उत्पादों पर निष्क्रिय समझौतों के आधार पर कार्य किया जाए।

6. अनुप्रयोग परिदृश्य

7. अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

प्रश्न: ग्रिड-कनेक्टेड और ऑफ-ग्रिड माइक्रोग्रिड के बीच मुख्य अंतर क्या है?

उत्तर: मुख्य अंतर नियंत्रण तर्क में है। ग्रिड-कनेक्टेड मोड में, बाहरी मुख्य ग्रिड वोल्टेज और आवृत्ति संदर्भ प्रदान करता है, और माइक्रोग्रिड ग्रिड का अनुसरण करता है। ऑफ-ग्रिड मोड में, माइक्रोग्रिड को आंतरिक ऊर्जा भंडार और जनरेटर के माध्यम से अपना स्वयं का वोल्टेज और आवृत्ति स्थापित करना आवश्यक होता है, जिससे नियंत्रण काफी अधिक जटिल हो जाता है।

प्रश्न: दोनों वास्तुकल्पों के बीच सुरक्षा प्रणाली क्यों अलग है?

उत्तर: लघु-परिपथ धारा के स्तर में बहुत अधिक अंतर होता है। ग्रिड-जुड़े मोड में, मुख्य ग्रिड उच्च दोष धारा की आपूर्ति करता है। ऑफ-ग्रिड मोड में, केवल वितरित स्रोत ही दोष धारा की आपूर्ति करते हैं, जो ग्रिड-जुड़े मान के केवल एक भिन्नात्मक भाग के बराबर हो सकती है। ग्रिड-जुड़ी स्थितियों के लिए डिज़ाइन की गई सुरक्षा सेटिंग्स ऑफ-ग्रिड मोड में दोषों का पता लगाने में विफल हो सकती हैं, इसलिए अनुकूलनशील सुरक्षा या स्विच करने योग्य सेटिंग समूहों की आवश्यकता होती है।

प्रश्न: ऑफ-ग्रिड से ग्रिड-जुड़े मोड में संक्रमण के लिए कितना स्विचिंग समय आवश्यक है?

उत्तर: उद्योग मानकों के अनुसार, ऑफ-ग्रिड से ग्रिड-जुड़े मोड में स्विचिंग समय १० मिलीसेकंड से अधिक नहीं होना चाहिए। यह नियंत्रकों और स्विचगियर की प्रतिक्रिया गति पर बहुत उच्च आवश्यकताएँ लगाता है, और पुनः कनेक्शन से पहले वोल्टेज, आवृत्ति और कला के सटीक समक्रमण की आवश्यकता होती है।

प्रश्न: सूक्ष्मग्रिड में ट्रांसफॉर्मरों की क्या भूमिका होती है?

ए: ट्रांसफॉर्मर माइक्रोग्रिड और बाहरी ग्रिड के बीच वोल्टेज परिवर्तन और प्रतिबाधा मिलान का कार्य करते हैं। ऑफ-ग्रिड मोड में, उन्हें कम लोड और आघात लोड की स्थितियों के तहत भी वोल्टेज स्थायित्व बनाए रखना आवश्यक होता है। ट्रांसफॉर्मर की प्रतिबाधा अतिरिक्त रूप से लघु-परिपथ क्षमता सीमित होने पर दोष धारा को सीमित करने में सहायता कर सकती है।

प्रश्न: माइक्रोग्रिड परियोजना के प्रारंभिक चरण में कौन-से विद्युत पैरामीटर की पुष्टि करने की आवश्यकता होती है?

उत्तर: मुख्य पैरामीटरों में शामिल हैं: दोनों मोड के लिए लघु-परिपथ धारा स्तर, ग्राउंडिंग विधि, ट्रांसफॉर्मर पैरामीटर (क्षमता, अनुपात, वेक्टर समूह, प्रतिबाधा), हार्मोनिक विशेषताएँ, अनुमेय आवृत्ति और वोल्टेज सीमाएँ, तथा अधिकतम आघात लोड के साथ लोड वर्गीकरण। इनकी प्रारंभिक पुष्टि उपकरण चयन और सुरक्षा सेटिंग में पुनरावृत्ति कार्य को कम करती है।