[論文レビュー] PV Integration in Low-Voltage Feeders with Demand Response

Xiangkun Li, Theodor Borsche+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2014

Photovoltaic System Optimization Techniques参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、低圧（LV）配電放射状線に統合可能な太陽光発電（PV）の容量を向上させるために、電気給湯器（EWH）を用いた需要応答（DR）制御戦略を提案する。配電変圧器の電力測定値のみを活用し、モデル予測制御（MPC）を用いてEWHのスケジューリングを最適化することで、電圧違反とPVの出力抑制を低減し、平均1日2回未満の負荷切り替えで50%以上のPV統合容量向上を達成した。

ABSTRACT

Increased distributed Photo-Voltaic (PV) generation leads to an increase in voltages and unwarranted backflows into the grid. This paper investigates Demand Response (DR) with Electric Water Heaters (EWHs) as a way to increase the PV hosting capacity of a low-voltage feeder. A control strategy relying only on power measurements at the transformer is proposed. Flexible loads are optimally dispatched considering energy acquisition costs, a PV shedding penalty, and power and energy constraints. Furthermore, grouping of loads and PV plants is investigated, and switching penalties are used to reduce the unnecessary switching of loads. It is shown that this strategy can substantially increase the PV hosting capacity of a Low-Voltage (LV) feeder, even when only basic controllability is available.

研究の動機と目的

• 高密度なPV接続に起因する電圧上昇および逆潮流問題に対処すること。
• EWHなどの制御可能な負荷を用いた需要応答が、各ノードに高度計測装置やリアルタイム通信を設置しなくても、PV統合容量を向上させることの可能性を調査すること。
• 群化された負荷制御や予測不確実性といった現実的な制約下で、制御の細かさ、スイッチング周波数、PV出力抑制のトレードオフを評価すること。
• 限られた制御可能性とスイッチングペナルティのもとでも、柔軟な負荷の最適ディスpatchが可能かどうかを検証すること。
• 限られた制御可能性とスイッチングペナルティのもとでも、PV統合に顕著な改善が得られるかどうかを特定すること。

提案手法

• 低圧変圧器でのリアルタイム電力潮流測定値に基づき、EWHの充電スケジュールを最適化するためのモデル予測制御（MPC）フレームワークを採用する。
• 最適化は、エネルギー調達コストとPV出力抑制ペナルティを最小化し、有効電力・無効電力制限およびEWHのエネルギー容量制約を満たすように設計される。
• 負荷およびPVユニットをクラスタにグループ化することで、リップル制御などのレガシーシステムの制限を反映し、制御の複雑さを低減する。
• スイッチング回数を制限するため、コスト関数にスイッチングペナルティを導入し、機器の摩耗を低減するとともに、顧客の受容性を向上させる。
• スイスの家庭の実測および予測PV発電および負荷データを用い、不確実性はリcedevingホライズン制御と確率的モデリングで扱う。
• 本制御戦略は、実際の400VのLV配電ネットワーク（2回路、20ノード）で検証され、実測PVおよび負荷プロファイルが使用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブステーションレベルの電力測定値のみを用いて、EWHを用いた需要応答が、低圧配電放射状線のPV統合容量を顕著に向上させられるか。
• RQ2 柔軟な負荷のグループ化が、DR戦略の性能と必要なスイッチング周波数に与える影響は何か。
• RQ3 スイッチングペナルティを導入することで、無駄な負荷スイッチングをどの程度低減できるか、かつ高いPV統合容量を維持できるか。
• RQ4 予測不確実性が制御戦略の性能に与える影響は何か。不確実性に対処するのに最も効果的な制御技術は何か。
• RQ5 現実的なシステム制約下で、PV出力抑制、エネルギーコスト、負荷スイッチング周波数のトレードオフはどのようなものか。

主な発見

• 提案されたDR戦略により、制御なしのベースラインと比較して、LV放射状線のPV統合容量が50%以上向上した。
• EWHの平均スイッチング回数を1日2回未満に抑える一方で、この改善を達成した。これにより、スイッチングに起因する摩耗が顕著に低減された。
• グループ化された負荷制御と制限された制御可能性のもとでも、高い性能を維持した。これは、個別に制御する必要がないことを示している。
• 最適化にスイッチングペナルティを組み込むことで、無駄な負荷スイッチングが低減されたが、全体のシステム性能への影響は最小限に抑えられた。
• 高いPV接続率下でも、電圧上昇をDACHCZ規格で定められた3%の上限内に抑えることができ、電圧制御が効果的に実施された。
• 変圧器レベルの電力測定値とAMIデータを用いて、日常の負荷エネルギープロファイルを取得するだけで、効果的な制御が可能であることが示された。これにより、すべての顧客に高度計測装置を設置する必要がなくなり、コスト削減が可能となった。