[논문 리뷰] Characterizing Curtailed and Uneconomic Renewable Power in the Mid-continent Independent System Operator

Andrew A. Chien, Fan Yang외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 18.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 10인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 5분 간격의 40개월치 데이터를 바탕으로 MISO 전력망 내에서 발생하는 방치된 전력—즉, 정지된 재생 가능 에너지 발전 및 경제적으로 비합리적인 가격의 발전—을 특성화한다. 연구 결과, 방치된 전력은 흔히 발생하며(99%의 시간 동안 평균 1GW 이상), 장기적인 간격(평균 109시간)을 보이며, 고방치 지역에 집중된 에너지 저장소를 통해 활용도를 크게 향상시킬 수 있음을 입증한다. 그러나 100% 운용률 달성을 위해서는 수요가 감소하는 수익을 감안할 때 막대한 저장 용량이 필요하다.

ABSTRACT

As power grids incorporate increased renewable generation such as wind and solar, their variability creates growing challenges for grid stability and efficiency. We study two facets: power the grid is unable to accept (curtailment), and power that is assigned zero economic value by the grid (negative or zero price). Collectively we term these "stranded power" or SP. We study stranded power in the Midcontinent Independent System Operator (MISO), characterizing quantity and temporal structure. First, stranded power is available in the MISO grid 99% of the time, and often in intervals >100 hours, with characteristic seasonal and time-of-day patterns. Average stranded power often exceeds 1 GW, with duty factors as high as 30%. About 30% of all wind generation in MISO is stranded. Examination of the top 10 individual sites shows stranded power can be as high as 70% duty factor and 250MW. Trends over the past 3.5 years suggest stranded power is a persistent phenomenon. The study characterizes opportunities to exploit stranded power. We consider using energy storage to increase the utility of stranded power. For a range of power levels and uniformly-distributed storage, adding 5 hours of storage doubles duty factor to 30% at 4MW, but another 95 hours is required for the next 15% increase. At 4MW with 50 hours of storage, only 3 of 200 sites reach 100% duty factor, and with 100 hours required for the next 10 sites. Higher power levels require 100's of hours. Storage at the top 10 sites is more productive, 5 hours increases duty factor to 70% at 4MW, but further storage has diminishing benefits. Studies of the amount of power served by storage show that distribution to the best sites provides 2 to 3.7-fold advantages over uniform distribution.

연구 동기 및 목표

• MISO 전력망 내에서 방치된 전력—정지되거나 경제적으로 비합리적인 가격의 재생 가능 에너지 발전—의 시간적 및 공간적 특성을 이해하기 위해.
• 3.5년 간의 기간 동안 방치된 전력의 규모, 지속 기간 및 패턴을 정량화하여 그 지속성과 확장 가능성 평가하기 위해.
• 특정 지역에 배치된 에너지 저장소가 방치된 전력의 이용 가능성을 높이는 데 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.
• 데이터 센터 워크로드와 같은 수요 측면의 부하 이동 기회를 식별하여 방치된 전력 자원을 활용하기 위해.
• 고수준 재생 가능 에너지 통합과 관련된 과제와 기회를 정량화하여 향후 전력망 계획 및 재생 가능 에너지 통합에 기여하기 위해.

제안 방법

• 5분 간격의 고해상도 MISO 시장 데이터(잠재적 발전량 eco_max, 실제 수용된 발전량, 지역별 마진 가격 LMP 포함)를 분석한다.
• ‘방치된 전력(SP)’를 정지된 발전량과 0 또는 음수 경제 가치(음수 LMP)가 할당된 발전량의 합으로 정의한다.
• 발전소의 발전이 방치되는 비율인 도시율을 계산하고, 계절 및 시간대별 시간 패턴을 분석한다.
• 전력 및 에너지 용량 파rameter를 사용하여 개별 발전소에 에너지 저장소를 모델링하고, 저장소가 이용 가능한 발전 시간을 늘리는 방식을 시뮬레이션한다.
• 모든 발전소에 균일하게 저장소를 분포시키는 것과 상위 10개 고방치 지역에 집중적으로 배치하는 것을 비교하여 효율성 향상을 평가한다.
• 통계 분석을 통해 방치된 전력 간격의 지속 기간, 빈도 및 규모를 특성화하며, 평균, 표준편차 및 최대 지속 기간을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MISO 전력망 내에서 방치된 전력은 얼마나 흔하며, 시간적으로 얼마나 지속적인가? 그 특징적인 지속 기간과 계절 패턴은 무엇인가?
• RQ2 MISO 내에서 연간 총 방치된 전력의 양은 얼마이며, 다양한 풍력 발전소 간 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 에너지 저장소는 방치된 전력의 이용 가능성을 얼마나 높일 수 있으며, 이는 저장 용량, 전력 수준 및 발전소 선택에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 저장소의 분포 전략(균일 vs. 집중)이 도시율 향상과 전체 시스템 효율성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 현재 저장 기술을 사용할 때, 방치된 전력의 100% 도시율을 달성하기 위한 경제적 및 기술적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• MISO에서 방치된 전력은 99%의 시간 동안 이용 가능하며, 평균 지속 기간은 109시간(표준편차 110시간)이며, 최대 간격은 816시간에 이른다.
• 평균 방치된 전력은 1GW를 초과하며, 이 수준에서 도시율은 30%이며, MISO 전체 풍력 발전의 30%가 방치된다.
• 상위 10개 개별 발전소에서는 도시율이 70%에 달하고, 최대 250MW의 전력이 방치되며, 4MW에서 50~100시간의 저장 용량이 필요로 100% 도시율을 달성할 수 있다.
• 4MW에서 5시간의 저장소를 추가하면 균일 분포 시 도시율이 30%로 상승하지만, 200개의 발전소 중 50시간 저장 시 100% 도시율을 달성하는 데는 3개에 불과하며, 10개 더가 100시간이 필요하다.
• 상위 10개 발전소에 저장소를 설치하는 것이 훨씬 효과적이다: 5시간의 저장소로 4MW에서 도시율이 70%로 상승하며, 그 이상에서는 수익 감소 현상이 나타난다.
• 상위 5개 발전소에 저장소를 분포시키면 균일 분포 대비 2배에서 3.7배 이상의 효과를 얻을 수 있으며, 이는 최적의 활용도를 위해 발전소 선택의 중요성을 강조한다.