[논문 리뷰] Aggregate capacity of TCLs with cycling constraints

Austin R. Coffman, Neil Cammardella외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 25.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 30인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 온도, 사이클링, 에너지 제약 조건을 고려한, 열조절 제어 부하(TCLs) 집합의 볼록적이고 알고리즘 독립적인 용량 특성화를 제안한다. 정수 사이클 제약 조건을 제거하기 위해 부분 부하 상태를 모델링함으로써, 이 방법은 전력망 운영자가 실현 가능하고 최적화 가능한 기준 경로를 계획할 수 있도록 하여 높은 추적 정확도를 확보하고 개별 TCL의 품질 서비스(QoS) 한계를 준수하게 한다. 사이클링 제약 조건을 忽시할 경우 기존 방법 대비 추적 오차에서 두 계단 정도 향상된다.

ABSTRACT

Thermostatically Controlled Loads (TCLs) such as air conditioners and water heaters typically maintain their temperature within a preset range using on/off actuation. These types of loads are inherently flexible: many different power consumption trajectories exist that can keep the temperature within range. Decades of research has shown that flexible loads can provide valuable grid services. Quantifying the power and energy capacities of a collection of TCLs is a well-studied problem. However, most works focus on temperature constraints. In this work, we present a characterization of the capacity of a collection of TCLs that considers not only temperature, but also cycling and energy constraints. The characterization leads to a set of convex constraints. A grid operator can use this characterization to compute a feasible power consumption trajectory for an ensemble of TCLs that comes closest to what the operator needs to maintain demand-supply balance. Unlike prior attempts at capacity characterizations incorporating cycling constraints, our results are independent of the algorithm used to coordinate the TCLs.

연구 동기 및 목표

• 기존 용량 특성화에서 TCL 집합의 사이클링 제약 조건을 忽시하는 격차를 보완하기 위해.
• TCL 집합에 대한 실현 가능하고 고정밀 기준 전력 경로를 계획하기 위한 전력망 운영자 친화적 방법을 개발하기 위해.
• 기준 신호가 개별 TCL의 품질 서비스(QoS) 제약 조건, 즉 온도, 사이클링 빈도 및 에너지 사용과 호환되도록 보장하기 위해.
• 협조 알고리즘이 사용되는 데 관계없이 독립적인 볼록 최적화 프레임워크를 제공하기 위해.
• 이국적 TCL 조건 및 현실적인 기상 프로파일 하에서의 방법의 강건성과 효과성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 TCL의 on/off 상태 비율을 모델링하여 이산적이고 정수적인 사이클 제약 조건을 집합적 행동에 대한 연속적이고 볼록적인 제약 조건으로 전환한다.
• 집합 용량을 개별 TCL 파rameter에서 유도된 볼록 제약 조건의 집합으로 설정한다: 열교환계수(COP), 온도 범위, 최소 케이스/오프 시간, 에너지 한도.
• 기본적인 기준 전력 경로에서의 편차를 최소화하면서 유도된 집합 제약 조건을 준수하는 볼록 최적화 문제로 참조 계획 문제를 설정한다.
• 이 방법은 TCL의 준균일성( quasi-homogeneity)을 가정하지만, 수치 실험에서 이질성에 대해 강건함을 입증한다.
• 사이클링 제약 조건을 忽시하는 기준 방법과의 추적 성능 비교를 위한 닫힌 루프 시뮬레이션을 통해 방법을 검증한다.
• 이 프레임워크는 어떤 잘 설계된 협조 알고리즘이라도 개별 TCL의 QoS를 위반하지 않고 기준을 추적할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TCL 집합에 대해 사이클링 제약 조건을 포함한 볼록적이고 알고리즘 독립적인 용량 특성화를 개발할 수 있는가?
• RQ2 기준 계획에서 사이클링 제약 조건을 忽시할 경우 추적 성능과 QoS 준수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 실제 TCL 집단에서 준균일성 가정의 위반에 대해 제안된 용량 특성화는 얼마나 강건한가?
• RQ4 제안된 방법은 모든 개별 TCL 제약 조건을 준수하면서도 고정밀 기준 추적을 보장할 수 있는가?
• RQ5 사이클링 제약 조건을 고려하지 않을 경우, 기준의 공격성과 TCL 사이클링 빈도 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 닫힌 루프 시뮬레이션에서 추적 오차를 0.06%로 줄였으며, 사이클링 제약 조건을 忽시하는 기존 방법의 24% 대비 두 계단 이상 향상되었다.
• 제안된 방법으로 계획된 기준 신호는 과도한 램프 속도를 피하기 위해 더 적극적인 경향이 없으며, 이는 TCL 사이클링 한계를 위반하는 것을 방지한다.
• 모든 시뮬레이션 TCL은 개별 사이클링 제약 조건(최소 10분 간격)을 충족하였으며, 대부분은 약 20분 사이클 주기 근처에서 작동하였다.
• 다양한 부하 분포에서 일관된 성능을 보이며, TCL 파rameter의 이질성에 대해서도 방법이 강건함을 입증하였다.
• 볼록 형식화는 생성된 실현 가능한 기준 신호가 어떤 협조 알고리즘이라도 세 가지 QoS 제약 조건을 준수하면서 추적 가능함을 보장한다.
• 수치 결과는 사이클링 제약 조건을 忽시할 경우 실현 불가능하거나 잘 추적되지 않는 기준이 되며, 이는 전력망 신뢰성과 사용자 만족도를 약화시킴을 확인한다.