[논문 리뷰] Battery Placement on Performance of VAR Controls

Hen‐Geul Yeh, Son Doan|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 25.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태양광(PV) 통합이 이루어진 방사형 배전망에서 배터리 위치가 VAR 제어 성능에 미치는 영향을 조사한다. 매일의 전력 손실을 최소화하기 위해 동적 글로벌 및 로컬 제어 알고리즘을 사용한 시뮬레이션 결과, 중간에서 뒤쪽에 위치한 배터리가 앞쪽에 위치한 경우보다 전압 변동을 최대 13% 감소시키고 에너지 절감 효과를 15% 향상시키는 것으로 나타났다. 이는 특히 중간에서 높은 PV 통합 수준에서 두드러진다.

ABSTRACT

Battery's role in the development of smart grid is gaining greater attention as an energy storage device that can be integrated with a Photovoltaic (PV) cell in the distribution circuit. As more PVs are connected to the system, real power injection to the distribution can cause fluctuation in the voltage. Due to the rapid fluctuation of the voltage, a more advanced volt-ampere reactive (VAR) power control scheme on a fast time scale is used to minimize the voltage deviation on the distribution. Employing both global and local dynamic VAR control schemes in our previous work, we show the effects of battery placement on the performance of VAR controls in the example of a single branch radial distribution circuit. Simulations verify that having battery placement at the rear in the distribution circuit can provide smaller voltage variations and higher energy savings than front battery placement when used with dynamic VAR control algorithms.

연구 동기 및 목표

• 고 PV 통합 수준을 가진 배전 시스템에서 배터리 위치(앞쪽 대비 뒤쪽)가 전압 조절 및 에너지 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 구름으로 인한 PV 출력의 급격한 변화와 부하 변동으로 인한 전압 변동 문제를 해결하기 위해.
• 다양한 배터리 위치 전략 하에서 글로벌 및 로컬 동적 VAR 제어 알고리즘의 성능을 비교하기 위해.
• 저, 중, 고 수준의 PV 통합 수준에서 에너지 절감 및 전압 변동 감소 정도를 정량화하기 위해.
• 배전망의 안정성을 향상시키기 위해 후단 노드에 설치된 배터리를 장려하기 위한 실질적인 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 30개 버스를 가진 단일 방사형 배전선로 모델을 구축하며, 변전소는 앞쪽(버스 0)에, 선로의 끝은 뒤쪽(버스 30)에 위치한다.
• 전체 활동 전력 손실을 최소화하기 위해 하루 동안의 최적화 문제를 설정하고 글로벌 및 로컬 동적 VAR 제어 알고리즘을 모두 적용한다.
• 배터리 시스템과 PV 인버터를 선로의 앞쪽 또는 뒤쪽에 통합하여, 인버터를 통한 빠른 무효전력 지원 및 배터리 충·방전 제어를 가능하게 한다.
• 시간 간격(예: 매시간 또는 20분 간격)을 사용해, 다양한 태양광 발전 및 부하 조건 하에서 실시간 전압 및 전력 흐름 역학을 시뮬레이션한다.
• 전압 조절 및 손실 감소를 위해 배터리 충·방전 속도(βj(t)) 및 인버터의 무효전력 출력(qjg(t))와 같은 제어 변수를 적용한다.
• 세 가지 PV 통합 수준(20%, 50%, 80%)과 다양한 인버터 크기 제약 조건(smax = 1.1, 1.3, 1.5) 하에서 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 배터리가 선로의 뒤쪽에 위치할 경우, 앞쪽에 위치할 경우에 비해 방사형 배전 피더의 전압 변동을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ2 동적 글로벌 및 로컬 VAR 제어 알고리즘을 사용할 때, 배터리 위치가 에너지 절감에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 저, 중, 고 수준의 PV 통합 수준에서 다양한 배터리 위치 전략 하에서 전압 변동과 전력 손실은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 배터리가 앞쪽에 위치할 경우와 뒤쪽에 위치할 경우, 후단 피더에서 전압을 효과적으로 조절할 수 있는가?
• RQ5 배전망에서 전압 조절 및 에너지 효율성을 극대화하기 위해 배터리-PV 시스템의 최적 위치 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 20% PV 통합 수준(a=0.2, smax=1.1)에서 뒤쪽에 위치한 배터리가 앞쪽에 위치한 경우보다 피크 전압 변동을 약 12% 감소시킨다.
• 50% PV 통합 수준(a=0.5, smax=1.1)에서 뒤쪽에 위치한 배터리가 앞쪽에 위치한 경우보다 피크 전압 변동을 13% 감소시키고 평균 변동을 9% 감소시킨다.
• 동일한 인버터 크기 제약 조건 하에서 중간 수준의 PV 통합 수준(a=0.5)에서 뒤쪽에 위치한 배터리가 앞쪽에 위치한 경우보다 에너지 절감 효과가 15% 향상된다.
• 모든 PV 통합 수준 및 배터리 위치 전략에서 글로벌 제어 알고리즘이 로컬 제어보다 더 우수한 전압 조절 및 에너지 절감 성능을 보인다.
• 제어가 적용되지 않은 경우 배터리가 뒤쪽에 위치할수록 피더의 끝 쪽으로 갈수록 전압 변동이 증가하지만, 뒤쪽에 배터리를 설치할 경우 이 현상이 크게 완화된다.
• 뒤쪽에 위치한 배터리는 PV에서 유도된 활동 전력과 인버터에서 제공하는 무효전력 지원을 효과적으로 활용하여 원거리 노드의 전압 조절을 가능하게 한다.