[論文レビュー] Towards Phase Balancing using Energy Storage

Md Umar Hashmi, José Horta+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2020

Electric Vehicles and Infrastructure参考文献 28被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、単相の分散型発電（DG）および電気自動車（EV）充電による三相系統の不平衡を軽減するために、系統末尾部に小規模なエネルギー貯蔵を設置することを提案する。マデイラおよびパサデナの実際の事例を用いたOpenDSSベースのシミュレーションにより、3kWの貯蔵装置でさえも中性線損失および相損失、電圧不平衡度（VUF）、電圧偏差を顕著に低減することが示された。特に系統末尾部に設置した場合、変電所レベルの貯蔵よりも著しく優れた性能を発揮した。

ABSTRACT

Ad-hoc growth of single-phase-connected distributed energy resources, such as solar generation and electric vehicles, can lead to network unbalance with negative consequences on the quality and efficiency of electricity supply. Case-studies are presented for a substation in Madeira, Portugal and an EV charging facility in Pasadena, California. These case studies show that phase imbalance can happen due to a large amount of distributed generation (DG) and electric vehicle (EV) integration. We conducted stylized load-flow analysis on a radial distribution network using an openDSS-based simulator to understand such negative effects of phase imbalance on neutral and phase conductor losses, and in voltage drop/rise. We evaluate the integration of storage in the distribution network as a possible solution for mitigating effects caused by imbalance. We present control architectures of storage operation for phase balancing. Numerically we show that relatively small-sized storage (compared to unbalance magnitude) can significantly reduce network imbalance. We identify the end node of the feeder as the best location to install storage.

研究の動機と目的

• 非調整的な単相の分散型エネルギー資源（DG）および電気自動車（EV）による三相系統の不平衡の増大という問題に対処すること。
• 径路型配電系統における不均衡な負荷および発電が、主な電力品質および効率指標に与える影響を調査すること。
• 損失および電圧偏差を最小限に抑えるために、エネルギー貯蔵を相バランス制御の手段として評価すること。
• 最小限の貯蔵容量で最大限の不平衡軽減を実現するための最適な貯蔵設置場所および制御アーキテクチャを同定すること。
• 小規模な貯蔵でも、不平衡度がはるかに大きい状況においても、ネットワーク性能指標に顕著な改善をもたらす可能性を実証すること。

提案手法

• 単相のDGおよびEV負荷を有する不均衡な三相系をモデル化するため、OpenDSSシミュレータを用いて径路型配電系統におけるスタイリズド潮流解析を実施した。
• マデイラ（ポルトガル）の変電所およびパサデナ（カリフォルニア州、アメリカ）のEV充電施設という2つの実世界事例をシミュレーションし、現実の不平衡度に与える影響を評価した。
• 主な指標として、電圧不平衡度（VUF）、中性線および相導体損失、系統全体の電圧低下／上昇を定義し、計算した。
• 3つの貯蔵制御アーキテクチャ（変電所レベル、系統末尾、柔軟な位相スイッチングによる負荷シフト）を提案し、評価した。
• 3kWのバッテリ貯蔵装置を用いたシミュレーションにより、異なる設置場所および制御戦略における不平衡指標への影響を評価した。
• 位相バランスと時間的負荷シフトの両者に対する指標の感度を分析し、位相制御が時間的負荷シフトよりも効果的であることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単相のDGおよびEV充電の設置位置が、径路型配電系統における相不平衡にどのように影響を与えるか？
• RQ2 （不平衡度に対して）小規模なエネルギー貯蔵（3kW）が、中性線損失および相損失、電圧不平衡度、電圧偏差をどの程度低減できるか？
• RQ3 変電所レベル、系統末尾、または柔軟な位相スイッチングの3つの制御アーキテクチャの中で、どれがネットワークの不平衡軽減に最も効果的か？
• RQ4 位相バランスと時間的負荷シフトの両者に対する不平衡指標の感度は、時間的側面でどのように比較されるか？
• RQ5 ネットワークトポロジー（例：径路型、長尺系統）が、貯蔵ベースの位相バランスの有効性に与える影響は何か？

主な発見

• 系統末尾部（N5）に設置した貯蔵により、最大電圧不平衡度（VUF）は、貯蔵なしで不均衡な状態の1.30%から、アーキテクチャ1で0.87%に低下し、33%の低減が達成された。
• 中性線損失は、貯蔵なしの3.29kWhから、アーキテクチャ1における系統末尾部に3kW貯蔵を設置した場合1.78kWhに低下し、45.3%の低減が達成された。
• 最大電圧低下／上昇は、貯蔵なしの8.30%から、アーキテクチャ1における系統末尾部貯蔵で5.98%に低下し、27.7%の改善が達成された。
• アーキテクチャ1（位相バランスのみ）は、アーキテクチャ2（位相スイッチングと負荷シフト併用）を上回るすべての指標で優れた性能を示し、位相制御が負荷シフトよりも効果的であることが示された。
• 変電所レベルの貯蔵（N0）はVUFおよび損失にほとんど影響を与えず、VUFは1.26%にしか低下せず、貯蔵なしの状態と比較してわずか4.6%の改善にとどまり、効果が著しく低いことが示された。
• 負荷シフトなしでも、3kW貯蔵による位相バランスにより、VUFは1.30%から1.01%に低下した。これは、性能面で位相制御が時間的負荷管理を上回ることを示している。