[論文レビュー] A Case Study on the Effects of Partial Solar Eclipse on Distributed Photovoltaic Systems and Management Areas

Aditya Sundararajan, Temitayo O. Olowu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Photovoltaic System Optimization Techniques参考文献 40被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、2017年8月21日の中程度日食がフロリダ州の2つの分散型太陽光発電（PV）システムに与える影響を、4つの分析手法を用いて調査している。対象はマイアミの1.4 MWおよびデイトナの355 kWのPVシステムである。分析手法は、パワーパフォーマンスインデックスを用いたPVパフォーマンス評価、系統連系点における電力品質、模擬IEEE 8500系統における電圧制御装置の動作、およびマルチレイヤーパーセプトロン（MLP）を用いた信頼性予測である。主な発見として、日食に伴い日射量と温度が急激に低下し、パフォーマンスの著しい低下と電圧制御装置の活発な動作が生じた。特に、PV接続率が高い状況では顕著であった。

ABSTRACT

Photovoltaic (PV) systems depend on irradiance, ambient temperature and module temperature. A solar eclipse causes significant changes in these parameters, thereby impacting PV generation profile, performance, and power quality of larger grid where they connect to. This paper presents a case study to evaluate the impacts of the solar eclipse of August 21, 2017 on two real-world grid-tied PV systems (1.4MW and 355kW) in Miami and Daytona, Florida, the feeders they are connected to, and the management areas they belong to. Four types of analyses are conducted to obtain a comprehensive picture of the impacts using 1-minute PV generation data, hourly weather data, real feeder parameters, and daily reliability data. These analyses include: individual PV system performance measurement using power performance index; power quality analysis at the point of interconnection; a study on the operation of voltage regulating devices on the feeders during eclipse peak using an IEEE 8500 test case distribution feeder; and reliability study involving a multilayer perceptron framework for forecasting system reliability of the management areas. Results from this study provide a unique insight into how solar eclipses impact the behavior of PV systems and the grid, which would be of concern to electric utilities in future high penetration scenarios.

研究の動機と目的

• 2017年の部分日食がフロリダ州の実際の系統接続環境における分散型PVシステムに与える影響を評価すること。
• 日食中における1.4 MWのPVシステムの系統連系点（POI）における電力品質への影響を分析すること。
• 日食に起因する出力の急低下に伴う、系統分岐線路上の電圧制御装置（例：レギュレータ、コンデンサ）の動作反応を模擬すること。
• 気象データとマルチレイヤーパーセプトロン（MLP）フレームワークを用いて、電力会社管理区域（マイアミおよびデイトナ）の信頼性を予測・評価すること。
• 将来的な日食に備えるために、電力会社が高比率のPV接続状況下で効果的な対応を取るための実用的知見を提供すること。

提案手法

• パフォーランス分析のため、クラウドベースの現地データ収集システムを用いて1分間解像度のPV出力データを測定した。
• マイアミシステムのPOIで、1分間解像度の電力品質データ（RMS電圧、高調波、フレッカ）を電力品質メーターを用いて収集した。
• 実際の系統パラメータとPVシステムデータを用いて、IEEE 8500ノードテスト系統を模擬し、電圧プロファイルの変化とレギュレータの動作を分析した。
• 1時間ごとの気象データ（例：温度、雷撃数）を用いて、マルチレイヤーパーセプトロン（MLP）フレームワークを適用し、日次信頼性インデックスを予測した。
• 回帰分析および感度分析を実施し、配電網の信頼性に影響を与える主要な気象パラメータを同定した。
• 日食中のシステムパフォーマンス変化を定量化するために、パワーパフォーマンスインデックス（PPI）を用い、日射量、周囲温度、モジュール温度と相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2017年の部分日食は、フロリダ州マイアミおよびデイトナの分散型PVシステムのパフォーマンスにどのように影響したか？
• RQ2 日食中における系統連系点（POI）での電力品質指標（電圧、高調波、フレッカ）にどのような影響があったか？
• RQ3 日食は、系統分岐線路上の電圧制御装置（例：レギュレータ、コンデンサバンク）の動作にどのように影響したか？
• RQ4 一般的な気象パラメータ（例：温度、雷撃）は配電系統の信頼性にどの程度影響を及ぼすか？また、これらを用いて日食発生時の信頼性を予測可能か？
• RQ5 PV出力の急低下および環境パラメータの変化が、高比率のPV接続状況下での系統安定性と運用計画にどのように影響を及えるか？

主な発見

• システムA（マイアミの1.4 MW）は、日食ピーク時に日射量、周囲温度、モジュール温度の低下が比較的緩やかであったため、パフォーマンス低下が遅延した。
• システムB（デイトナの355 kW）は、日射量と温度の低下が急激であったため、パワーパフォーマンスインデックス（PPI）の上昇が顕著に現れ、パフォーマンスへの影響が顕著であった。
• 日射量、周囲温度、モジュール温度の間で強く正の相関関係が確認された。これは、集約ベースの予測に応用可能である可能性を示唆している。
• 電力品質指標（RMS電圧、高調波、フレッカ）は、IEEE基準内に保たれたが、PV接続率が高くなると深刻な異常発生の可能性が増加する。
• 日食に起因する出力の急低下に伴い、特にPV接続バス近傍で、レギュレータやコンデンサバンクなどの電圧制御装置の動作頻度が上昇した。システムBの位置では、POIで電圧上昇が観測された。
• 日食に伴い、PV出力の急変動により系統損失が増加した。MLPベースの信頼性予測モデルでは、雷撃数が信頼性に最も大きな影響を与える気象パラメータであったのに対し、平均温度は最も影響が少なかった。