[논문 리뷰] A Case Study on the Effects of Partial Solar Eclipse on Distributed Photovoltaic Systems and Management Areas

Aditya Sundararajan, Temitayo O. Olowu외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 24.

Photovoltaic System Optimization Techniques참고 문헌 40인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 2017년 8월 21일 부분일식이 플로리다주에 위치한 두 개의 분산형 태양광(PV) 시스템—마이애미의 1.4 MW와 드레이턴의 355 kW—에 미친 영향을 분석한다. 분석은 PV 성능(출력 성능 지수), 접속점에서의 전력 품질, 시뮬레이션된 IEEE 8500 피더에서의 전압 조절 장치 작동, 다층 퍼셉트론을 활용한 신뢰성 예측의 네 가지 분야로 구성된다. 주요 발견은 일식 동안 일조량과 온도가 급격히 감소하여 성능 저하와 전압 조절 장치의 활성화가 뚜렷하게 발생했으며, 특히 태양광 비중이 높은 지역에서 두드러졌다는 점이다.

ABSTRACT

Photovoltaic (PV) systems depend on irradiance, ambient temperature and module temperature. A solar eclipse causes significant changes in these parameters, thereby impacting PV generation profile, performance, and power quality of larger grid where they connect to. This paper presents a case study to evaluate the impacts of the solar eclipse of August 21, 2017 on two real-world grid-tied PV systems (1.4MW and 355kW) in Miami and Daytona, Florida, the feeders they are connected to, and the management areas they belong to. Four types of analyses are conducted to obtain a comprehensive picture of the impacts using 1-minute PV generation data, hourly weather data, real feeder parameters, and daily reliability data. These analyses include: individual PV system performance measurement using power performance index; power quality analysis at the point of interconnection; a study on the operation of voltage regulating devices on the feeders during eclipse peak using an IEEE 8500 test case distribution feeder; and reliability study involving a multilayer perceptron framework for forecasting system reliability of the management areas. Results from this study provide a unique insight into how solar eclipses impact the behavior of PV systems and the grid, which would be of concern to electric utilities in future high penetration scenarios.

연구 동기 및 목표

• 플로리다주에서 실시간 전력망 연계 환경에서 2017년 부분일식이 분산형 태양광 시스템에 미친 영향을 평가하기 위해.
• 마이애미의 1.4 MW 태양광 시스템의 접속점(POI)에서의 전력 품질 영향을 분석하기 위해.
• 일식으로 인한 급격한 출력 감소 상황에서 배전 피더의 전압 조절 장치(예: 조절기, 커패시터)의 운영 반응을 시뮬레이션하기 위해.
• 기상 데이터와 다층 퍼셉트론(MLP) 프레임워크를 활용해 도시 관리 지역(마이애미 및 드레이턴)의 신뢰성 예측 및 평가를 수행하기 위해.
• 향후 태양광 비중이 높은 상황에서의 일식 대비를 위한 실질적인 통찰을 통신사에 제공하기 위해.

제안 방법

• 성능 분석을 위해 클라우드 기반 현장 데이터 수집 시스템을 통해 1분 간격의 PV 발전 데이터를 측정하였다.
• 마이애미 시스템의 접속점에서 1분 간격의 전력 품질 데이터(RMS 전압, 고조파, 플리커)를 전력 품질 미터를 사용해 수집하였다.
• 실제 피더 파arameter와 PV 시스템 데이터를 기반으로 IEEE 8500노드 테스트 피더를 시뮬레이션하여 전압 프로파일 변화와 조절기 작동을 분석하였다.
• 시간당 기상 데이터(예: 온도, 뇌우 발생 수)를 활용해 일일 신뢰성 지수를 예측하기 위해 다층 퍼셉트론(MLP) 프레임워크를 적용하였다.
• 기후 변수가 배전망 신뢰성에 미치는 영향을 규명하기 위해 회귀 분석 및 민감도 분석을 수행하였다.
• 일식 동안의 시스템 성능 변화를 정량화하기 위해 출력 성능 지수(PPI)를 사용하였으며, 일조량, 주변 온도, 모듈 온도와의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2017년 부분일식은 플로리다주 마이애미와 드레이턴의 분산형 태양광 시스템 성능에 어떤 영향을 미쳤는가?
• RQ2 일식 기간 동안 접속점(POI)에서의 전력 품질 지표(전압, 고조파, 플리커)에 어떤 영향을 미쳤는가?
• RQ3 일식은 배전 피더의 전압 조절 장치(예: 조절기, 커패시터) 작동에 어떤 영향을 미쳤는가?
• RQ4 일반적인 기상 변수(예: 온도, 뇌우 발생 수)는 배전망 신뢰성에 어느 정도의 영향을 미치며, 이러한 변수들을 활용해 일식 발생 시 신뢰성 예측이 가능한가?
• RQ5 태양광 출력 감소의 동적 특성과 환경 변수 변화는 고 태양광 비중 상황에서 전력망 안정성과 운영 계획에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 시스템 A(마이애미의 1.4 MW)는 일조량, 주변 온도, 모듈 온도의 감소가 더 서서히 진행되어 일식 최고조에 이르러도 성능 저하가 느리게 나타났다.
• 시스템 B(드레이턴의 355 kW)는 일조량과 온도의 급격한 감소로 인해 출력 성능 지수(PPI)가 더 크게 상승하여 성능 저하가 뚜렷하게 나타났다.
• 일조량, 주변 온도, 모듈 온도 간에 양의 상관관계가 뚜렷하게 관찰되었으며, 이는 집합 기반 예측 가능성을 시사한다.
• IEEE 기준을 충족하는 범위 내에서 전력 품질 지표(RMS 전압, 고조파, 플리커)는 일식 기간 동안 안정을 유지했지만, 태양광 비중이 높아질수록 심각한 교란 발생 가능성이 증가한다.
• 일식으로 인한 급격한 출력 감소 기간 동안 전압 조절 장치(조절기, 커패시터 백)가 더 자주 작동했으며, 특히 태양광 연결 버스 근처에서 두드러졌다. 시스템 B의 경우 접속점에서 전압 상승 현상이 발생했다.
• 일식으로 인해 급격한 PV 출력 변화로 인해 손실이 증가했으며, MLP 기반의 신뢰성 예측 모델은 뇌우 발생 수가 가장 영향력 있는 기상 변수로 규명되었고, 평균 온도는 영향이 가장 적었다.