[論文レビュー] Dynamic Solar Hosting Capacity Calculations in Microgrids

Zohreh S. Hosseini, Amin Khodaei+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、マイクログリッドにおける太陽光発電（PV）統合のための動的ホスティングキャパシティ評価手法を提案する。従来の定常状態手法に代わる、グリッド接続モードとアイランドモードの遷移における一時的挙動を考慮したアプローチである。実際のテストシステムを用いた詳細なシミュレーションにより、動的解析が定常状態手法よりも顕著に低いホスティングキャパシティを示すことを実証し、電圧違反や保護装置の故障といった重要な運用リスクを明らかにした。

ABSTRACT

Microgrids, as small-scale islandable power systems, are considered as viable promotors of renewable energy resources. In particular, microgrids can efficiently integrate solar photovoltaic (PV) as the deployment of this customer-deployed technology is growing in distribution grids. However, there is a limit on how much PV can be hosted by a microgrid. High penetration of PVs can potentially put the microgrid at operational risks including but not limited to over and under voltages, excessive line losses, overloading of transformers and feeders, and protection failure. To avoid such potential negative impacts, the concept of hosting capacity is introduced and used. The hosting capacity is defined as the total capacity of DERs that can be integrated into a given feeder/microgrid without exceeding operational restrictions and/or requiring system upgrades. Hosting capacity studies are primarily done based on steadystate analyses. However, in case of microgrids and when transitioning between grid-connected and islanded modes, dynamic operation becomes more restrictive than steady-state operation and thus is worthy of detailed investigation to provide a better understanding of the amount of DER that the microgrid can host. This paper examines this problem and provides extensive simulations on a practical test system to show its importance and merits.

研究の動機と目的

• マイクログリッドにおける定常状態ホスティングキャパシティ評価の限界を解決すること。これは、モード遷移中の動的リスクを捉えていないためである。
• 特にグリッド接続モードとアイランドモードの間の遷移における動的運転が、最大許容太陽光PV埋込率に与える影響を調査すること。
• 電圧違反、線路損失、保護協調不良といった、動的条件下で顕在化する運用制約を同定すること。
• 配電系統における時間領域ダイナミクスを組み込むことで、太陽光ホスティングキャパシティのより正確で慎重な推定値を提供すること。
• 実世界のマイクログリッドテストシステムを用いた広範なシミュレーションを通じて、動的解析の実用的影響を示すこと。

提案手法

• グリッド接続モードとアイランド運転モードの間の遷移における一時的挙動を捉えるマイクログリッドの動的モデルを開発する。
• 太陽光PVインバーター、負荷ダイナミクス、保護リレー、RLCパラメータを有する配電系統を含む、詳細な部品モデルを統合する。
• 時間領域電磁瞬時シミュレーション（EMT）を用いて、さまざまな太陽光PV埋込率下でのシステム性能を評価する。
• 電圧制御、熱的制限、保護協調の各限界に違反するまでの最大PV容量としてホスティングキャパシティを定義する。
• 動的ホスティングキャパシティの結果を定常状態潮流解析の結果と比較し、許容可能なPV埋込率の差を定量的に評価する。
• 実用的な配電系統テストケースにこの手法を適用し、現実の運用シナリオ下での結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクログリッドのモード遷移中の動的運転は、定常状態解析と比較して最大太陽光PVホスティングキャパシティにどのように影響を与えるか？
• RQ2 電圧違反や保護協調不良といった主な動的制約は、太陽光ホスティングキャパシティを制限する要因としてどのようなものか？
• RQ3 アイランド化および再同期の過程で、一時的な過電圧および低電圧がどの程度発生するか、そしてホスティングキャパシティにどのように影響を与えるか？
• RQ4 動的効果は、従来の静的評価と比較して、マイクログリッドにおける分散型エネルギー資源の安全統合限界をどのように変化させるか？
• RQ5 インバーター制御戦略および系統保護協調が動的ホスティングキャパシティに与える影響は何か？

主な発見

• 動的解析により、定常状態推定値よりも顕著に低いホスティングキャパシティが明らかになった。これは、動的効果が太陽光PV統合に stricter な制限を課していることを示している。
• 特にアイランド遷移時における過電圧が、太陽光ホスティングキャパシティの主な制約要因として顕在化した。
• 保護協調不良が動的イベント、特にアイランド化および再同期の際、観察された。これは定常状態研究では捉えられていない。
• 系統およびトランスフォーマの熱的過負荷は主な制約ではなかった。代わりに、電圧不安定性とリレーの誤動作がより重要な要因であった。
• 本研究では、特定のマイクログリッド構成において、定常状態ホスティングキャパシティ評価が安全なPV埋込率を最大で30–50％過大評価している可能性があることを示した。
• 提案された動的手法は、高比率の太陽光PV統合を伴う配電網における計画および運用意思決定のより正確で慎重な根拠を提供する。