[논문 리뷰] Physical Effects of Distributed PV Generation on California's Distribution System

Michael A. Cohen, Duncan S. Callaway|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 18.

Optimal Power Flow Distribution참고 문헌 9인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 고해상도(1분 간격) PV 발전 데이터를 사용하여 캘리포니아의 세 가지 기후(버클리, 로스앤젤레스, 샌프란시스코)에서 24개의 배전 피더에 걸쳐 고비율 분산형 태양광(PV) 발전의 물리적 영향을 시뮬레이션한다. 연구 결과, 피더 유형이 손실 감소와 전압 조절기 작동에 가장 큰 영향을 미치지만, 기후가 역방향 전력 흐름, 피크 부하 감소 및 전압 위반에 가장 큰 영향을 미친다. 100% PV 투입률일지라도 대부분의 피더에서 부정적 영향은 최소한이다.

ABSTRACT

Deployment of high-penetration photovoltaic (PV) power is expected to have a range of effects -- both positive and negative -- on the distribution grid. The magnitude of these effects may vary greatly depending upon feeder topology, climate, PV penetration level, and other factors. In this paper we present a simulation study of eight representative distribution feeders in three California climates at PV penetration levels up to 100\%, supported by a unique database of distributed PV generation data that enables us to capture the impact of PV variability on feeder voltage and voltage regulating equipment. When comparing the influence of feeder location (i.e. climate) versus feeder type on outcomes, we find that location more strongly influences the incidence of reverse power flow, reductions in peak loading and the presence of voltage excursions. On the other hand, we find that feeder characteristics more strongly influence the magnitude of loss reduction and changes in voltage regulator operations. We find that secondary distribution transformer aging is negligibly affected in almost all scenarios.

연구 동기 및 목표

• 다양한 기후와 피더 유형에서 고비율 분산형 태양광의 물리적 영향을 평가하기 위해.
• 구름 이동과 지리적 분포에 의해 유도되는 PV 변동성이 전압 조절, 손실 및 장비 마모에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 주요 배전계통 성능 결과에 가장 큰 영향을 미치는 시스템 특성(기후 대비 피더 구조)을 규명하기 위해.
• 이바지(이익)와 위험 간의 상충관계를 정량화하여 전력회사의 계획 수립 및 정책 수립에 기여하기 위해.

제안 방법

• GridLAB-D라는 배전계통 시뮬레이션 플랫폼을 사용하여 캘리포니아의 세 기후(버클리, 로스앤젤레스, 샌프란시스코)에서 24개의 배전 피더를 시뮬레이션하였다.
• 일년 내내 실측된 주거 및 소규모 상업용 시설의 고해상도(1분 간격) 실제 PV 발전 데이터를 적용하였다.
• 주요 지표 평가: 저항 손실, 피크 부하 감소, 역방향 전력 흐름 발생 빈도, 전압 크기 편차, 전압 조절기 작동 횟수, 배전 변압기 노후화.
• 피더 유형(도시, 근교, 농촌)과 기후 간의 비교를 통해 위치와 구조의 영향을 분리 분석하였다.
• 모의 시뮬레이션의 정밀도를 향상시키기 위해 실제 측정 데이터에 맞춘 기준 부하 프로파일을 사용하였다.
• PV 투입률을 0%에서 100%까지 변화시켜 극단적 상황에서의 추세를 평가하기 위해 민감도 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PV 투입률 수준이 다양한 피더 유형과 기후에서 저항 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 기후(예: 일조량 패턴)와 피더 구조 중 어느 것이 역방향 전력 흐름 발생에 더 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 증가하는 분산형 PV 투입률에 따라 전압 조절 장비 작동 방식은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 PV 투입률 증가에 따라 전압 위반은 어느 정도 증가하며, 어떤 시스템 특성이 이러한 편차를 이끄는가?
• RQ5 분산형 PV는 전압 조절기의 기계적 마모와 배전 변압기의 노후화에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 대부분의 피더에서 100% PV 투입률까지 저항 손실이 계속 감소하였으며, 손실 감소의 총량에서 피더 유형이 주요 요인으로 작용하였다.
• 기후가 피더 유형보다 역방향 전력 흐름 발생과 피크 부하 감소에 더 큰 영향을 미쳤으며, 샌프란시스코에서 가장 높은 역방향 흐름과 부하 감소가 관찰되었다.
• 고비율 PV 투입률에서 샌프란시스코 피더에서 전압 위반이 크게 증가하여, 위치(기후)가 전압 안정성 문제의 주요 원인임을 시사한다.
• 대부분의 피더에서 전압 조절기 작동 수는 기준 대비 10% 이내로 변화하였으며, 변화의 방향(증가 또는 감소)은 피더 유형에 따라 달라졌고, 기후와는 무관하였다.
• 거의 모든 시나리오에서 2차 배전 변압기의 노후화는 무시할 만큼 미미하여 자산 수명에 미치는 영향이 최소한임을 시사한다.
• 모든 피더 유형에서 샌프란시스코 피더에서 가장 심각한 전압 문제가 발생하였으며, 이는 태양 복사량의 변동성과 구름 이동과 같은 지리적·기후적 요인이 전압 불안정성의 주요 원인임을 시사한다.