[論文レビュー] The Contribution of Different Electric Vehicle Control Strategies to Dynamical Grid Stability

Sabine Auer, Casper Roos+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2017

Smart Grid Energy Management参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、確率的バッテリーサージャスのしきい値と臨界の急上昇率を用いた分散型電気自動車（EV）制御戦略を提案し、太陽光発電の高い統合率を有する電力系統の安定化を図る。グリッドを複雑ネットワークとしてモデル化し、非ガウス分布で強い間歇的変動を示す再生可能エネルギーのフラクチュエーションをシミュレートすることで、著者らはこの手法が周波数ピークを完全に排除し、集中型制御と比較してバッテリースイッチングを1桁減少させ、再生可能エネルギー出力の増加に対しても安定性を維持できることを示している。

ABSTRACT

A major challenge for power grids with a high share of renewable energy systems (RES), such as island grids, is to provide frequency stability in the face of renewable fluctuations. In this work we evaluate the ability of electric vehicles (EV) to provide distributed primary control and to eliminate frequency peaks. To do so we for the first time explicitly model the network structure and incorporate non-Gaussian, strongly intermittent fluctuations typical for RES. We show that EVs can completely eliminate frequency peaks. Using threshold randomization we further demonstrate that demand synchronization effects and battery stresses can be greatly reduced. In contrast, explicit frequency averaging has a strong destabilizing effect, suggesting that the role of delays in distributed control schemes requires further studies. Overall we find that distributed control outperforms central one. The results are robust against a further increase in renewable power production and fluctuations.

研究の動機と目的

• 分散型EV制御が高再生可能エネルギー統合グリッドの安定化に果たす有効性を評価すること。
• 配電網における間歇的太陽光発電のフラクチュエーションに起因する周波数不安定性の課題に対処すること。
• バッテリーデグラデーションを引き起こす過剰なスイッチングイベントを最小限に抑えつつ、グリッドの安定性を維持すること。
• 周波数制御と運用持続可能性の観点から、分散型対集中型制御戦略を比較すること。
• ランダム化が有害な需要同期を防ぎ、システムのレジリエンスを向上させるかどうかを調査すること。

提案手法

• 銅プレート近似を回避するため、スラックバスと分散ノードを有する複雑ネットワークとして電力グリッドを明示的にモデル化する。
• 実データから導出された確率的モデルを用いて、現実的で非ガウス的かつ強い間歇的変動を示す太陽光発電のフラクチュエーションを組み込む。
• 周波数のデッドバンドからの偏差に基づき、EVが充電または放電するバンドギャップ制御戦略を実装し、調整可能な急上昇率を有する。
• EV間でのバッテリー充電／放電しきい値を変動させることで、スイッチングイベントの同期を防ぐためのしきい値ランダマイゼーションを導入する。
• 異なる制御方式における周波数しきい値超過とバッテリースイッチング頻度の評価を数値シミュレーションで行う。
• 急上昇率と周波数偏差の関係を解析的に導出し、しきい値超過を完全に抑制する臨界の急上昇率を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高太陽光発電統合グリッドにおいて、周波数しきい値超過を完全に抑制するための最小臨界急上昇率は何か？
• RQ2 しきい値ランダマイゼーションは、EVの充電／放電イベントの同期とバッテリーデグラデーションにどのように影響するか？
• RQ3 異なるネットワークノードにおける周波数フラクチュエーションの安定化において、分散型EV制御は集中型制御と比べてどのように異なるか？
• RQ4 周波数平均化はシステム安定性にどのような影響を及ぼし、不安定化を引き起こすか？
• RQ5 再生可能エネルギー出力の増加とフラクチュエーション強度の上昇に対して、提案された制御戦略はどの程度レジリエントか？

主な発見

• 周波数しきい値超過を完全に抑制する臨界の急上昇率が存在し、これが高太陽光発電統合下でもグリッド全体の完全な安定性を保証する。
• しきい値ランダマイゼーションは、同期を防ぐことでバッテリースイッチングイベントを顕著に低減し、劣化リスクを最小限に抑える。
• 分散型制御は集中型制御と比較してバッテリースイッチングを1桁減少させ、バッテリー運用の持続可能性を向上させる。
• 集中型制御は、スラックバスからの距離が長いノードにおいて、周波数フラクチュエーションの高い不均一性を引き起こす。
• 周波数平均化はシステムを不安定化させるため、分散制御スキームにおける遅延効果のさらなる研究が求められる。
• 提案された制御戦略は再生可能エネルギー出力の増加に対してもレジリエントであり、超過はゼロで、スイッチング頻度の増加もわずかにとどまる。