[논문 리뷰] Towards Phase Balancing using Energy Storage

Md Umar Hashmi, José Horta외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 11.

Electric Vehicles and Infrastructure참고 문헌 28인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 단상 분산 발전(DG) 및 전기 자동차(EV) 충전으로 인한 삼상 배전망의 불균형을 완화하기 위해 피더 끝단에 소규모 에너지 저장 장치를 사용하는 것을 제안한다. 푸에르토리코의 마데이라와 캘리포니아 패서디나에서의 실제 사례 연구를 기반으로 한 OpenDSS 기반 시뮬레이션을 통해, 3kW의 저장 장치조차도 중성선 손실 및 상 손실, 전압 불균형도(VUF), 전압 편차를 크게 감소시킴을 입증한다. 특히 피더의 끝단에 설치할 경우 변전소 수준의 저장 장치보다 훨씬 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비협조적인 단상 분산 에너지 자원(DG) 및 전기 자동차(EV)로 인한 증가하는 삼상 배전망 불균형 문제를 해결한다.
• 비균형 하중 및 발전이 반경 배전망의 핵심 전력 품질 및 효율성 지표에 미치는 영향을 조사한다.
• 손실 최소화 및 전압 편차 최소화를 목표로 하여 에너지 저장을 단상 균형 조절 수 Mittel로 평가한다.
• 최소한의 저장 용량으로도 불균형 완화 효과를 극대화할 수 있는 최적의 저장 장치 설치 위치 및 제어 아키텍처를 규명한다.
• 소규모 저장 장치가 불균형 정도에 비해 훨씬 크지 않은 상황에서도 네트워크 성능 지표 향상에 상당한 기여를 할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• OpenDSS 시뮬레이터를 사용하여 단상 DG 및 EV 하중을 포함한 비균형 삼상 시스템을 모델링하기 위해 반경 배전망에 대한 스타일리시드 부하 흐름 분석을 수행하였다.
• 포르투갈의 마데이라에 위치한 변전소와 캘리포니아 패서디나의 EV 충전 시설을 대상으로 한 실제 사례 연구 두 건을 시뮬레이션하여 실제 환경에서의 불균형 영향을 평가하였다.
• 핵심 지표인 전압 불균형도(VUF), 중성선 및 상 도체 손실, 네트워크 전반의 전압 강하/상승을 정의하고 계산하였다.
• 세 가지 저장 제어 아키텍처를 제안하고 평가하였다: 변전소 수준, 피더 끝단, 유연한 상 스위칭 및 하중 이동.
• 3kW 배터리 저장 장치를 사용하여 다양한 설치 위치 및 제어 전략에서 불균형 지표에 미치는 영향을 평가하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다.
• 단상 균형 조절과 시간 기반 하중 이동 간의 불균형 지표 민감도를 분석하여, 단상 균형 조절이 하중 이동에 비해 훨씬 효과적임을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단상 DG 및 EV 충전의 설치 위치가 반경 배전망의 상 불균형에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 불균형 정도에 비해 상대적으로 작은 크기의 에너지 저장 장치가 중성선 손실 및 상 손실, 전압 불균형도, 전압 편차를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 변전소 수준, 피더 끝단, 또는 융통성 있는 상 스위칭 중 어느 제어 아키텍처가 네트워크 불균형 완화에 가장 효과적인가?
• RQ4 시간 기반 하중 이동과 단상 균형 조절 간의 불균형 지표 민감도를 비교하면 어떻게 되는가?
• RQ5 네트워크 토폴로지(예: 반경형, 긴 피더)가 저장 기반 단상 균형 조절의 효과성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 피더 끝단(N5)에 설치된 저장 장치는 비균형 상태일 경우 최대 전압 불균형도(VUF) 1.30%를 아키텍처 1에서 0.87%로 감소시켜 33% 감소시켰다.
• 중성선 손실은 저장 장치 없을 경우 3.29kWh에서 아키텍처 1에서 피더 끝단에 3kW 저장 장치를 설치한 경우 1.78kWh로 감소하여 45.3% 감소시켰다.
• 최대 전압 강하/상승은 저장 장치 없을 경우 8.30%에서 아키텍처 1에서 피더 끝단 저장 장치를 사용한 경우 5.98%로 감소하여 27.7% 향상되었다.
• 아키텍처 1(단순 단상 균형 조절)은 아키텍처 2(하중 이동과 함께 상 스위칭)보다 모든 지표에서 뛰어난 성능을 보였으며, 이는 단상 균형 조절이 하중 이동보다 훨씬 효과적임을 시사한다.
• 변전소 수준의 저장 장치(N0)는 VUF 및 손실에 거의 영향을 주지 않아 VUF는 1.26%로 4.6% 향상에 그쳤으며, 이는 낮은 효과성을 보임을 보여준다.
• 하중 이동 없이도 단상 균형 조절을 통해 3kW 저장 장치로 VUF를 1.01%(비균형 상태에서 1.30%로)로 낮추었으며, 이는 단상 균형 조절이 시간 기반 하중 관리에 비해 성능 면에서 압도적으로 우수함을 입증한다.