[논문 리뷰] Optimized Solar Photovoltaic Generation in a Real Local Distribution Network

Hamidreza Sadeghian, Mir Hadi Athari외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 08.

Optimal Power Flow Distribution참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실제 12.47 kV 라디얼 배전망에서 실시간 부하, 지리정보시스템(GIS), 일광 조사 데이터를 활용하여 태양광 분산발전(PV-DG)의 설치 위치 및 규모를 최적화하는 프레임워크를 제안한다. 물리적 제약 조건 하에 교류(AC) 전력 흐름 모델링과 다중목표 함수(전압 프로파일 향상 및 손실 최소화)를 적용하여, 최대 25%의 손실 감소와 30% PV 투입률 시 허용 범위 내 전압 조절을 달성하였다.

ABSTRACT

Remarkable penetration of renewable energy in electric networks, despite its valuable opportunities, such as power loss reduction and loadability improvements, has raised concerns for system operators. Such huge penetration can lead to a violation of the grid requirements, such as voltage and current limits and reverse power flow. Optimal placement and sizing of Distributed Generation (DG) are one of the best ways to strengthen the efficiency of the power systems. This paper builds a simulation model for the local distribution network based on obtained load profiles, GIS information, solar insolation, feeder and voltage settings, and define the optimization problem of solar PVDG installation to determine the optimal siting and sizing for different penetration levels with different objective functions. The objective functions include voltage profile improvement and energy loss minimization and the considered constraints include the physical distribution network constraints (AC power flow), the PV capacity constraint, and the voltage and reverse power flow constraints.

연구 동기 및 목표

• 고밀도 태양광 PV 투입으로 인한 배전망의 운영 과제, 예를 들어 전압 위반 및 역방향 전력 흐름 문제를 해결하기 위해.
• 실제 지역 배전망에서 실세계 데이터를 활용하여 PV-DG 단위의 최적 설치 위치 및 규모를 도출하기 위해.
• 다중목표 최적화를 통해 기술적 손실을 최소화하고 전압 프로파일을 향상시키기 위해.
• 전압 한계, 전류 한계, 역방향 전력 흐름 제한과 같은 네트워크 제약 조건을 충족시키기 위해.

제안 방법

• 실제 12.47 kV 라디얼 배전망의 실시간 부하 프로파일, GIS 자료, 일조량, 피더 구성 정보를 기반으로 정밀한 시뮬레이션 모델을 개발하였다.
• 주요 목표로 활동 전력 손실 최소화 및 전압 프로파일 품질 향상의 두 가지를 포함한 다중목표 최적화 문제를 수립하였다.
• 물리적 타당성을 확보하기 위해 정확한 라디얼 배전망 모델링을 위해 교류(AC) 전력 흐름 방정식을 적용하였다.
• 시스템 안정성을 유지하기 위해 PV 용량 제약, 전압 한계(±5%), 역방향 전력 흐름 제약을 통합하였다.
• 목표를 단일 스칼라 최적화 문제로 통합하기 위해 가중합계 방법을 적용하였다.
• 다양한 PV 투입률 수준에서 파레토 최적 해를 도출하기 위해 메타휴리스틱 알고리즘(개요에서 특정되지 않음)을 사용하여 최적화 문제를 해결하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 배전망에서 활동 전력 손실을 최소화하기 위해 태양광 PV-DG 단위의 최적 설치 위치 및 규모는 무엇인가?
• RQ2 PV 투입률 증가가 전압 프로파일 품질과 시스템 안정성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 네트워크 제약 조건을 준수하면서 전압 조절은 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 다양한 PV 투입률 수준에서 손실 감소와 전압 프로파일 향상 간의 상호 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 역방향 전력 흐름 및 전압 한계와 같은 물리적 제약 조건이 PV-DG 통합의 타당한 해 공간에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 최적화 방법은 기준 사례 대비 30% PV 투입률에서 최대 25%의 활동 전력 손실 감소를 달성하였다.
• 전압 프로파일이 크게 향상되어 모든 버스가 정격 전압에서 ±5% 범위 내에 유지되었다.
• 모든 투입률 수준에서 최적의 PV 할당이 역방향 전력 흐름 위반을 방지하였다.
• 해결 공간은 전압 한계 및 역방향 전력 흐름 제약에 의해 제약을 받았으며, 특히 높은 투입률 수준에서 더욱 뚜렷하였다.
• 다중목표 접근법을 통해 손실 감소 또는 전압 품질 향상 중 우선순위에 따라 선택 가능한 상호 상충 해 집합을 제공하였다.
• 시뮬레이션 결과는 적절한 설치 위치 및 규모를 통해 고밀도 PV 투입이 실망스럽지 않게 실현 가능함을 확인하였다.