[论文解读] Dynamic Solar Hosting Capacity Calculations in Microgrids

Zohreh S. Hosseini, Amin Khodaei+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 6被引用 6

一句话总结

本文提出了一种用于微电网中太阳能光伏（PV）集成的动态宿主容量评估方法，超越了传统的稳态方法，以考虑并网与孤岛运行模式转换期间的暂态行为。通过在实际测试系统上进行详细仿真，结果表明，动态分析揭示的宿主容量显著低于稳态方法的结果，凸显了电压越限和保护拒动等关键运行风险。

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.

研究动机与目标

• 解决传统稳态宿主容量评估在微电网中无法捕捉模式转换期间动态风险的局限性。
• 研究动态运行（特别是并网与孤岛运行模式之间的转换）对最大允许太阳能光伏渗透率的影响。
• 识别在动态条件下出现的运行约束，如电压越限、线路损耗和保护协调失败。
• 通过在配电网馈线中引入时域动态特性，提供更准确且保守的太阳能宿主容量估算。
• 通过在真实微电网测试系统上进行广泛仿真，展示动态分析的实际影响。

提出的方法

• 建立能够捕捉并网与孤岛运行模式之间转换期间暂态行为的微电网动态模型。
• 集成详细的元件模型，包括太阳能光伏逆变器、负荷动态特性、保护继电器以及具有RLC参数的配电馈线。
• 采用时域电磁暂态仿真（EMT）评估在不同太阳能光伏渗透水平下的系统性能。
• 将宿主容量定义为在违反电压调节、热极限和保护协调等运行极限之前的最大光伏容量。
• 将动态宿主容量结果与稳态潮流分析结果进行对比，量化允许光伏渗透水平的差异。
• 将该方法应用于实际配电系统测试案例，以在真实运行场景下验证研究发现。

实验结果

研究问题

• RQ1 与稳态分析相比，微电网模式转换期间的动态运行如何影响最大太阳能光伏宿主容量？
• RQ2 哪些主要的动态约束（如电压越限或保护不协调）限制了太阳能宿主容量？
• RQ3 在孤岛化和重新同步过程中，暂态过电压和欠电压发生的程度如何，它们对宿主容量有何影响？
• RQ4 与传统静态评估相比，动态效应如何改变分布式能源资源在微电网中的安全集成限值？
• RQ5 逆变器控制策略和系统保护协调对动态宿主容量有何影响？

主要发现

• 动态分析显示，宿主容量显著低于稳态估算值，表明动态效应对太阳能光伏集成施加了更严格的限制。
• 电压越限，特别是孤岛化转换期间的过电压，成为限制太阳能宿主容量的主要因素。
• 在动态事件期间，特别是孤岛化和重新同步期间，观察到保护协调失败，而这类现象在稳态研究中未被捕捉。
• 馈线和变压器的热过载并非主要约束；相反，电压不稳定和继电器误动作更为关键。
• 研究表明，对于某些微电网配置，稳态宿主容量评估可能将安全光伏渗透水平高估达30%–50%。
• 所提出的动态方法为高比例太阳能光伏渗透的配电网规划与运行决策提供了更准确且保守的依据。