[논문 리뷰] A Comparison of Policies on the Participation of Storage in U.S. Frequency Regulation Markets

Bolun Xu, Yury Dvorkin외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 14.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 4인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 에너지 저장 시스템(ESS)에 영향을 미치는 주로 미국의 주파수 조정 시장 정책을 비교하며, 성과에 따른 보상, 빠른 조정, 에너지 보상 메커니즘을 평가한다. 연구 결과, PJM의 시장 설계는 ESS의 조정 효율성과 수익성 측면에서 더 높은 성과를 보이며, 에너지와 조정 서비스의 공동 최적화는 전체 보조 서비스 비용을 감소시켜 현대 시장 규칙 하에서 ESS의 참여를 더욱 실현 가능하고 경제적으로 유혹적으로 만든다.

ABSTRACT

Because energy storage systems have better ramping characteristics than traditional generators, their participation in frequency regulation should facilitate the balancing of load and generation. However, they cannot sustain their output indefinitely. System operators have therefore implemented new frequency regulation policies to take advantage of the fast ramps that energy storage systems can deliver while alleviating the problems associated with their limited energy capacity. This paper contrasts several U.S. policies that directly affect the participation of energy storage systems in frequency regulation and compares the revenues that the owners of such systems might achieve under each policy.

연구 동기 및 목표

• 미국의 주요 전력망 운영자(RTO) 및 독립 시스템 운영자(ISO) 정책이 주파수 조정 시장에서 에너지 저장 시스템(ESS)의 참여와 수익 가능성에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 성과에 따른 보상, 빠른 조정, 에너지 보상 메커니즘이 ESS의 수익성과 시스템 효율성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 비용, 용량 요구사항, 수익 창출을 중심으로 미국 내 다양한 조정 시장에서의 ESS의 경제적 및 운영 성과를 비교하는 것.
• 에너지와 조정 서비스의 공동 최적화가 장기 조정 서비스에서 ESS의 실현 가능성과 수익성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 시스템 안정성 유지를 유지하면서 보조 서비스 비용을 최소화하면서 ESS 참여를 증진시키는 시장 설계 특징을 식별하는 것.

제안 방법

• CAISO, PJM, ISO-NE, MISO, NYISO 등 미국 내 5개 주요 ISO/RTO의 규제 정책을 분석하여 성과에 따른 보상, 빠른 조정, 에너지 보상 메커니즘에 중점을 둔다.
• 2014년 6월부터 2015년 5월까지의 시장 데이터를 활용하여 당일 시장(DAM) 및 실시간 시장(RTM) 조정 가격, 마일리지 보상, 성과 요소를 비교한다.
• 신호 추적 정확도와 지연을 기반으로 한 성과 요소 모델을 적용하며, PJM는 상관관계와 정확도를 포함한 더 복잡한 지표를 사용한다.
• 조정 용량 요구사항과 에너지 보상 규칙을 평가하며, 예를 들어 CAISO와 PJM의 RegD에서는 1MW의 조정 용량당 최소 0.25MWh의 에너지 용량이 필요하다.
• 공동 최적화 접근 방식을 비교: CAISO는 에너지와 보조 서비스를 공동 최적화하지만, PJM는 더 복잡한 다중 카테고리 공동 최적화를 사용하여 비용이 증가한다.
• 역사적 청약 가격을 공공 데이터 소스에서 확보하여 1MWh의 부하당 조정 비용을 정량화하고, 시장 간 총 보조 서비스 비용을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 성과에 따른 보상 정책이 미국 주파수 조정 시장에서 ESS의 수익성과 경쟁력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 빠른 조정 정책이 PJM과 같은 시장에서 ESS의 참여와 시스템 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 에너지 보상 메커니즘(예: 최소 에너지 용량 요구사항)이 ESS가 지속적인 조정 서비스를 제공하는 데에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 조정 비용 1MWh당 부하 및 총 보조 서비스 비용 측면에서 다양한 시장 설계의 상대적 비용 효율성은 어떠한가?
• RQ5 에너지와 조정 서비스의 공동 최적화가 ESS의 수익성과 전체 시장 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• PJM의 시장 설계는 성과에 따른 보상과 빠른 조정을 포함하여 약 $2/MWh의 조정 비용을 기록하며, 이는 CAISO의 $0.3/MWh보다 높은 비용이다. 이는 다수의 보조 서비스 카테고리가 포함된 더 복잡한 공동 최적화 과정 때문이다.
• CAISO의 에너지와 보조 서비스의 공동 최적화로 인해 총 보조 서비스 비용($0.3/MWh)이 PJM의 비용($2/MWh)보다 낮게 나타나며, 이는 조정 용량 요구사항이 더 높음에도 불구하고 성과가 뛰어나다.
• PJM에서 성과에 따른 보상과 빠른 조정의 조합은 시장의 조정 조달 요구량을 30% 감소시켜 시스템 효율성을 향상시켰다.
• CAISO의 ESS는 1MW의 조정 용량당 최소 0.25MWh의 에너지 용량이 필요하며, PJM의 RegD 역시 0.25MWh/MW로 동일한 에너지 보상 규칙을 적용한다.
• MISO와 NYISO와 같은 시장에서는 마일리지 청약 가격이 거의 0에 가까워 최종 조정 가격에 영향을 거의 주지 않으며, 이는 고마일리지 성과에 대한 재정적 인centives가 제한적임을 시사한다.
• ISO-NE의 에너지 중립 조정 정책과 ATRR 체계는 조정 용량 요구사항($30–130 MW)과 비용($30M)을 낮게 유지하여 다른 시장에 비해 ESS에게 더 유리한 조건을 제공한다.