[論文レビュー] Physical Effects of Distributed PV Generation on California's Distribution System

Michael A. Cohen, Duncan S. Callaway|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2015

Optimal Power Flow Distribution参考文献 9被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、1分間解像度のPV発電データを用いて、カリフォルニアの3地域の気候（バークレイ、ロサンゼルス、サクラメント）にまたがる24回路の配電系統に対して、高貫通率の分散型太陽光発電（PV）の物理的影響をシミュレートした。主な結果として、系統の種別が損失低減および電圧調整装置の運用に最も大きな影響を及える一方、気候が逆潮流、ピーク負荷低減、電圧違反に最も強く影響することが判明した。100%のPV貫通率であっても、大多数の系統で顕著な悪影響は観察されなかった。

ABSTRACT

Deployment of high-penetration photovoltaic (PV) power is expected to have a range of effects -- both positive and negative -- on the distribution grid. The magnitude of these effects may vary greatly depending upon feeder topology, climate, PV penetration level, and other factors. In this paper we present a simulation study of eight representative distribution feeders in three California climates at PV penetration levels up to 100\%, supported by a unique database of distributed PV generation data that enables us to capture the impact of PV variability on feeder voltage and voltage regulating equipment. When comparing the influence of feeder location (i.e. climate) versus feeder type on outcomes, we find that location more strongly influences the incidence of reverse power flow, reductions in peak loading and the presence of voltage excursions. On the other hand, we find that feeder characteristics more strongly influence the magnitude of loss reduction and changes in voltage regulator operations. We find that secondary distribution transformer aging is negligibly affected in almost all scenarios.

研究の動機と目的

• 多様な気候および系統種別における高貫通率の分散型PVが配電系統に与える物理的影響を評価すること。
• 雲の通過や地理的分布に起因するPVの変動が、電圧制御、損失、設備の摩耗にどのように影響するかを評価すること。
• 系統の特性（気候対系統トポロジー）のうち、配電系統の主要な結果に最も強く影響する要因を特定すること。
• 損失低減やピーク負荷低減といった利点と、電圧違反や設備摩耗といったリスクのトレードオフを数量的に把握することで、電力会社の計画立案および政策立案を支援すること。

提案手法

• GridLAB-D（配電系統シミュレーションプラットフォーム）を用いて、カリフォルニアの3地域の気候（バークレイ、ロサンゼルス、サクラメント）にまたがる24回路の配電系統をシミュレートした。
• 1年間にわたる住宅および小規模商業施設の実測PV発電データ（1分間解像度）を適用した。
• 抵抗損失、ピーク負荷低減、逆潮流発生回数、電圧マグニチュードの偏差、電圧調整装置の運用回数、配電変圧器の劣化といった主要指標を評価した。
• 都市型、準都市型、農村型の系統種別と気候を比較することで、場所要因とトポロジー要因の影響を分離した。
• シミュレーションの妥当性を高めるために、実測データに一致するベースライン負荷プロファイルを採用した。
• PV貫通率を0%から100%まで変化させることで感度分析を実施し、極端なシナリオにおけるトレンドを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PV貫通率の上昇が、異なる系統種別および気候における抵抗損失にどのように影響するか？
• RQ2 気候（例：日射パターン）と系統トポロジーのどちらが逆潮流発生により強く影響するか？
• RQ3 分散型PV貫通率の上昇に伴い、電圧制御装置の運用はどのように変化するか？
• RQ4 PV貫通率の上昇に伴い、電圧違反はどの程度増加するか。また、どのような系統特性がこれらの偏差を引き起こすか？
• RQ5 分散型PVは、電圧調整装置の機械的摩耗および配電変圧器の劣化にどのように影響するか？

主な発見

• 抵抗損失は、大多数の系統で100%のPV貫通率に達するまで継続的に低下し、損失低減の総量において系統の種別が主な要因となった。
• 気候が系統の種別よりも逆潮流発生頻度およびピーク負荷低減に強く影響し、サクラメントが最も高い逆潮流と負荷低減を示した。
• サクラメントの系統では、高貫通率下で電圧違反が顕著に増加した。これは、場所（気候）が電圧安定性問題の主因であることを示している。
• 大多数の系統で、電圧調整装置の運用回数はベースライン比で10%未満の変化に留まり、系統の種別による増減の傾向が見られたが、気候による影響はほとんどなかった。
• ほぼすべてのシナリオにおいて、二次配電変圧器の劣化は無視できるほど小さく、資産寿命への影響は最小限であった。
• 最も深刻な電圧問題は、トポロジーにかかわらずサクラメントの系統で発生した。これは、太陽放射の変動や雲の通過といった地理的・気象的要因が、電圧不安定の主な駆動要因であることを示している。