[論文レビュー] Battery Placement on Performance of VAR Controls

Hen‐Geul Yeh, Son Doan|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2013

Microgrid Control and Optimization参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、太陽光発電（PV）統合済みの放射状配電系統におけるバッテリ配置が無効電力（VAR）制御性能に与える影響を調査する。動的グローバルおよびローカル制御アルゴリズムを用いて1日分の電力損失を最小化するシミュレーションでは、後部にバッテリを配置した場合、前部に配置した場合に比べ、電圧変動が最大13%低減され、エネルギー効率も15%向上することが示された。特に中〜高レベルのPV統合状況下で顕著である。

ABSTRACT

Battery's role in the development of smart grid is gaining greater attention as an energy storage device that can be integrated with a Photovoltaic (PV) cell in the distribution circuit. As more PVs are connected to the system, real power injection to the distribution can cause fluctuation in the voltage. Due to the rapid fluctuation of the voltage, a more advanced volt-ampere reactive (VAR) power control scheme on a fast time scale is used to minimize the voltage deviation on the distribution. Employing both global and local dynamic VAR control schemes in our previous work, we show the effects of battery placement on the performance of VAR controls in the example of a single branch radial distribution circuit. Simulations verify that having battery placement at the rear in the distribution circuit can provide smaller voltage variations and higher energy savings than front battery placement when used with dynamic VAR control algorithms.

研究の動機と目的

• 高比率のPV統合を伴う配電系統における、バッテリ配置（前部対後部）が電圧制御およびエネルギー効率に与える影響を評価すること。
• 曇りによるPV出力の急変動と負荷変動に起因する電圧変動の問題に対処すること。
• 異なるバッテリ配置戦略下でのグローバルおよびローカル動的VAR制御アルゴリズムの性能を比較すること。
• 低・中・高レベルのPV統合状況下で、エネルギー効率の向上と電圧変動低減を定量的に評価すること。
• グリッド安定性を向上させるために、後部ノードへのバッテリ設置を促進するインcentive施策に役立つ実務的知見を提供すること。

提案手法

• 系統の前端（母線0）に変電所、末端（母線30）を後端とする30バスの単一放射状配電回路をモデル化する。
• グローバルおよびローカル動的VAR制御アルゴリズムを用いて、1日分の最適化問題を定式化し、全有効電力損失を最小化する。
• 回路の前部または後部にバッテリシステムとPVインバーターを統合し、インバーターによる高速無効電力支援およびバッテリの充放電制御を可能にする。
• 時間刻み（例：1時間または20分間隔）を用いて、変動する太陽光発電および負荷状態下でのリアルタイム電圧・潮流ダイナミクスをシミュレートする。
• バッテリの充放電速度（βj(t)）およびインバーターの無効電力出力（qjg(t)）を制御変数として用い、電圧を制御し、損失を低減する。
• 3つのPV統合レベル（20%、50%、80%）および異なるインバーター容量制限（smax = 1.1、1.3、1.5）の下で結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 後部にバッテリを配置した場合、前部に配置した場合に比べ、放射状配電系統の電圧変動はどの程度低減されるか？
• RQ2 動的グローバルおよびローカルVAR制御アルゴリズムを用いた場合、バッテリ配置がエネルギー効率に与える影響は何か？
• RQ3 低・中・高レベルのPV統合状況下で、異なるバッテリ配置のもとで電圧変動および電力損失はどのように変化するか？
• RQ4 バッテリを前部に配置した場合と後部に配置した場合とで、動的制御アルゴリズムが系統の後端での電圧を効果的に制御できるか？
• RQ5 配電系統における電圧制御およびエネルギー効率を最大化するための最適なバッテリ-PVシステムの配置戦略は何か？

主な発見

• 20%のPV統合状況（a=0.2、smax=1.1）において、後部にバッテリを配置した場合、前部配置に比べピーク電圧変動が約12%低減された。
• 50%のPV統合状況（a=0.5、smax=1.1）では、後部配置がピーク電圧変動を13%、平均変動を9%低減した。
• 中程度のPV統合状況（a=0.5）において、同じインバーター容量制限下で、後部配置によるエネルギー効率向上は15%に達した。
• すべてのPV統合レベルおよびバッテリ配置状況において、グローバル制御アルゴリズムがローカル制御よりも優れた電圧制御とエネルギー効率を達成した。
• 制御なしでは系統の後端に向かって電圧変動が増大するが、バッテリを後部に配置することで顕著に緩和された。
• 後部にバッテリを配置することで、遠方ノードの電圧制御に、PVからの有効電力とインバーターによる無効電力支援の両方が効果的に活用された。