[논문 리뷰] Dynamic Solar Hosting Capacity Calculations in Microgrids

Zohreh S. Hosseini, Amin Khodaei외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 26.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 마이크로그리드에 태양광 발전(PV) 통합을 위한 동적 호스팅 용량 평가 방법을 제안하며, 기존의 정적인 상태 분석 방식을 뛰어나 동적 전환 과정 중의 거동을 고려한다. 실제 시험 시스템에서의 세밀한 시뮬레이션을 통해, 동적 분석이 정적 분석보다 훨씬 낮은 호스팅 용량을 드러내며, 전압 위반 및 보호 장치 실패와 같은 중요한 운영 리스크를 확인한다.

ABSTRACT

Microgrids, as small-scale islandable power systems, are considered as viable promotors of renewable energy resources. In particular, microgrids can efficiently integrate solar photovoltaic (PV) as the deployment of this customer-deployed technology is growing in distribution grids. However, there is a limit on how much PV can be hosted by a microgrid. High penetration of PVs can potentially put the microgrid at operational risks including but not limited to over and under voltages, excessive line losses, overloading of transformers and feeders, and protection failure. To avoid such potential negative impacts, the concept of hosting capacity is introduced and used. The hosting capacity is defined as the total capacity of DERs that can be integrated into a given feeder/microgrid without exceeding operational restrictions and/or requiring system upgrades. Hosting capacity studies are primarily done based on steadystate analyses. However, in case of microgrids and when transitioning between grid-connected and islanded modes, dynamic operation becomes more restrictive than steady-state operation and thus is worthy of detailed investigation to provide a better understanding of the amount of DER that the microgrid can host. This paper examines this problem and provides extensive simulations on a practical test system to show its importance and merits.

연구 동기 및 목표

• 정적 상태 호스팅 용량 평가의 한계를 해결하기 위해, 모드 전환 중의 동적 리스크를 반영하지 못하는 문제를 해결한다.
• 특히 전력망 연결 모드와 고립 모드 간 전환 중의 동적 운영이 허용 가능한 태양광 PV 통합 비율에 어떤 영향을 미치는지 조사한다.
• 전압 위반, 선로 손실, 보호 장치 조율 실패와 같은 동적 조건에서 나타나는 운영 제약 조건을 규명한다.
• 분포 피더의 시간 도메인 동적 특성을 통합하여 태양광 호스팅 용량에 대해 더 정확하고 보수적인 추정치를 제공한다.
• 실제 마이크로그리드 시험 시스템에서의 광범위한 시뮬레이션을 통해 동적 분석의 실용적 영향을 입증한다.

제안 방법

• 전력망 연결 모드와 고립 모드 간 전환 과정에서의 일시적 거동을 반영한 마이크로그리드의 동적 모델을 개발한다.
• 태양광 PV 인verter, 부하 동역학, 보호 리레이는, RLC 매개변수를 가진 분포 피더를 포함한 세부 구성 요소 모델을 통합한다.
• 시간 도메인 전자기 일시적 시뮬레이션(EMT)을 사용하여 다양한 태양광 PV 통합 수준에서의 시스템 성능을 평가한다.
• 전압 조절, 열 제한, 보호 장치 조율 등의 운영 제한 조건을 위반하기 전까지의 최대 PV 용량으로 호스팅 용량을 정의한다.
• 동적 호스팅 용량 결과를 정적 상태 전력 흐름 분석 결과와 비교하여 允가 가능한 PV 통합 수준의 차이를 정량화한다.
• 실제 분포 시스템 시험 사례에 이 방법을 적용하여 실제 운영 조건에서의 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로그리드 모드 전환 중의 동적 운영은 정적 분석 대비 최대 태양광 PV 호스팅 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전압 위반 또는 보호 장치 오조정과 같은 주요 동적 제약 조건이 태양광 호스팅 용량을 제한하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 고립 및 재동기화 과정에서 일시적 과전압 및 저전압 현상이 얼마나 자주 발생하며, 이는 호스팅 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 동적 효과는 기존 정적 평가 방식에 비해 분산 에너지 자원의 안전 통합 한계를 어떻게 변화시키는가?
• RQ5 인버터 제어 전략과 시스템 보호 조율은 동적 호스팅 용량에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 동적 분석은 정적 추정치보다 훨씬 낮은 호스팅 용량을 드러내며, 동적 효과가 태양광 PV 통합에 더 엄격한 제약을 가한다는 것을 시사한다.
• 특히 고립 전환 중의 과전압이 호스팅 용량의 주요 제약 요소로 나타났다.
• 고립 및 재동기화 과정에서 보호 장치 조율 실패가 관찰되었으며, 이는 정적 연구에서는 포착되지 않았다.
• 피더 및 허브의 열 과부하가 주요 제약 조건은 아니었고, 전압 불안정성과 리레이는 더 중요한 요소였다.
• 본 연구는 정적 호스팅 용량 평가가 특정 마이크로그리드 구성에서 안전한 PV 통합 수준을 최대 30–50% 과대 평가할 수 있음을 입증한다.
• 제안된 동적 방법은 고 태양광 PV 통합을 포함한 분포 전력망의 계획 및 운영 결정에 더 정확하고 보수적인 기초를 제공한다.