[논문 리뷰] Carbon-Aware Optimal Power Flow

Xin Chen, Andy Sun외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 07.

Optimal Power Flow DistributionEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전통적인 최적 전력 흐름에 탄소 흐름 모델링을 통합하여 전력과 탄소 배출를 동시에 최적화하는 새로운 프레임워크인 탄소 인식 최적 전력 흐름(C-OPF)을 제안한다. 노드별 탄소 강도 제약 조건과 에너지 저장 장치의 탄소 회계를 통합함으로써 C-OPF는 발전을 더 깨끗한 자원으로 이동시켜 탄소 배출를 감소시키며, 표준 OPF 대비 비용은 65% 증가하지만 배출된 탄소는 30% 감소시킨다.

ABSTRACT

To facilitate effective decarbonization of the electric power sector, this paper introduces the generic Carbon-aware Optimal Power Flow (C-OPF) method for power system decision-making that considers demand-side carbon accounting and emission management. Built upon the classic optimal power flow (OPF) model, the C-OPF method incorporates carbon emission flow equations and constraints, as well as carbon-related objectives, to jointly optimize power flow and carbon flow. In particular, this paper establishes the feasibility and solution uniqueness of the carbon emission flow equations, and proposes modeling and linearization techniques to address the issues of undetermined power flow directions and bilinear terms in the C-OPF model. Additionally, two novel carbon emission models, together with the carbon accounting schemes, for energy storage systems are developed and integrated into the C-OPF model. Numerical simulations demonstrate the characteristics and effectiveness of the C-OPF method, in comparison with OPF solutions.

연구 동기 및 목표

• 수요 측 탄소 회계를 전력 시스템 의사결정에 통합하기 위한 이론적 프레임워크를 개발하는 것.
• 평균 배출 계수와 시장 기반 배출 할당의 한계를 해결하기 위해 전력망을 통해 물리적 탄소 흐름을 모델링하는 것.
• 노드별 탄소 강도가 규제 기준 이내에 머무르도록 보장하는 탄소 제약 조건이 있는 경제적 운용을 가능하게 하는 것.
• 에너지 저장 시스템을 가상의 탄소 저장 및 내부 배출 강도를 반영하여 정확한 탄소 회계를 가능하게 하는 모델링을 수행하는 것.
• C-OPF가 운영 비용을 균형 잡고도 탄소 배출를 줄이는 데 효과가 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 기존의 최적 전력 흐름(OPF)에 탄소 흐름 방정식과 노드별 탄소 강도 제약 조건을 추가하여 전력망을 통해 전파되는 탄소 배출의 물리적 전송을 모델링한다.
• 탄소 흐름 행렬의 역행성(역행성)을 확립하여 탄소 흐름 모델링에서 방향이 불확실한 전력 흐름 문제를 해결한다.
• 탄소 흐름과 전력 흐름 간의 상호작용에서 발생하는 이차항을 처리하기 위한 선형화 기법을 개발한다.
• 에너지 저장 장치를 위한 두 가지 새로운 탄소 배출 모델을 도입한다: '물통 모델'과 에너지 모델로, 가상의 탄소 저장과 내부 배출 강도를 반영한다.
• 소비자 측 준수를 보장하기 위해 부하 버스의 노드별 탄소 강도를 제한하는 탄소 흐름 제약 조건을 구현한다.
• 혼합정수 2차원 원형 프로그래밍(MISOCP) 수식을 사용하여 C-OPF 모델을 해결하고, 솔버로 Gurobi를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전력 소비자에게 전력망의 물리적 전력 흐름과 네트워크 구조를 기반으로 발전에서 발생하는 탄소 배출를 정확히 할당할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 특히 전력 흐름 방향이 불확실한 상황에서 탄소 흐름을 모델링하고 해결하기 위한 수학적 구조는 무엇인가?
• RQ3 에너지 저장 장치를 어떻게 모델링하여 탄소 흐름과 가상의 탄소 저장에 미치는 영향을 반영할 수 있는가?
• RQ4 C-OPF는 운영의 타당성과 비용 효율성을 유지하면서 탄소 배출를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 실제 시스템 제약 조건 하에서 C-OPF는 표준 OPF에 비해 탄소 강도, 배출량, 운영 비용 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• C-OPF는 모든 시간 단위 동안 모든 부하 노드에서 노드별 탄소 강도를 1.2 lbs/kWh 이내로 유지하여 탄소 제한을 준수함을 확인했다.
• C-OPF 기반 운용은 총 발전 비용이 15% 증가했음에도 불구하고, 표준 OPF 대비 기여된(스코프 2) 탄소 배출량을 약 30% 감소시켰다.
• C-OPF 기반 경제적 운용의 운영 비용은 12,603.6k 달러였으며, OPF의 10,802.8k 달러보다 16.7% 높아, 더 깨끗하지만 더 비싼 천연가스 발전의 증가 사용으로 인한 것이다.
• C-OPF 하에서 코일 발전은 크게 감소했고, 재생 가능 에너지 발전은 캐리터널 없이 완전히 활용되어 탈탄소화가 효과적으로 이루어졌음을 시사한다.
• 노드-38에 위치한 에너지 저장 장치는 에너지를 저장하면서도 가상의 탄소 배출량을 조율하여 충전 시 가상 탄소 배출량이 증가하고 방전 시 감소하는 방식으로 운영되었다.
• C-OPF 모델은 운영 비용과 탄소 배출량 사이에 물리적으로 의미 있는 트레이드오프를 달성하여 탄소 인식 전력망 운영의 실현 가능성을 입증했다.