[논문 리뷰] Co-Optimizing Distributed Energy Resources in Linear Complexity under Net Energy Metering

Ahmed S. Alahmed, Lang Tong외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 21.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 넷 에너지 메터링 요금제 하에서 태양광 발전, 유연한 부하 및 배터리 저장장치를 포함한 뒷면 전력 자원(behind-the-meter distributed energy resources)에 대해 선형 복잡도의 탈중앙화된 공동 최적화 알고리즘을 제안한다. 확률적 동적 프로그래밍과 구조적 성질을 활용함으로써, 이 방법은 폐쇄형 최면 제어를 통해 근사 최적 성능를 달성하면서도 계산 비용을 크게 감소시키며, 프로슈머와 전력망 운영자에게 확장 가능하고 실시간 에너지 관리가 가능하게 한다.

ABSTRACT

The co-optimization of behind-the-meter distributed energy resources is considered for prosumers under the net energy metering tariff. The distributed energy resources considered include renewable generations, flexible demands, and battery energy storage systems. An energy management system co-optimizes the consumptions and battery storage based on locally available stochastic renewables by solving a stochastic dynamic program that maximizes the expected operation surplus. To circumvent the exponential complexity of the dynamic program solution, we propose a closed-form and linear computation complexity co-optimization algorithm based on a relaxation-projection approach to a constrained stochastic dynamic program. Sufficient conditions for optimality for the proposed solution are obtained. Numerical studies demonstrate orders of magnitude reduction of computation costs and significantly reduced optimality gap.

연구 동기 및 목표

• 넷 에너지 메터링(NEM) 요금제 하에서 태양광 발전, 유연한 부하 및 배터리 저장장치를 포함한 뒷면 전력 자원(DERs)의 공동 최적화 문제를 해결하기 위해.
• 스마트 홈과 마이크로그리드에서 대규모로 구현 가능한 선형 계산 복잡도를 갖춘 확장 가능하고 탈중앙화된 솔루션을 개발하기 위해.
• 저장 용량 제약 조건이 비-binding일 경우 최적성을 확보하는 폐쇄형 제어 정책을 제공하기 위해.
• 실제 넷 에너지 메터링 요금제 구조를 반영하여 프로슈머의 경제적 이익과 배전 시스템 운영자에 의한 비용 회수 능력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 랜덤 재생 가능 에너지 발전을 고려한 마르코프 결정 과정(MDP) 프레임워크 하에서 공동 최적화 문제를 확률적 동적 프로그래밍으로 수식화한다.
• 동적 프로그래밍 해법의 구조적 성질을 도출하여, 현재 상태와 재생 가능 에너지 예측 값에만 의존하는 폐쇄형 최면 제어 정책을 가능하게 한다.
• 배터리 노후화 영향을 최적화에 통합하기 위해 손실 가치 조정을 도입하여 분석적 취급 가능성을 유지한다.
• 각 프로슈머가 지역 재생 가능 에너지 예측 및 요금 정보만을 사용하여 국부적으로 최적화함으로써 통신 오버헤드를 최소화하는 탈중앙화된 구현 방식을 설계한다.
• 수입 및 수출 가격이 다른 넷 에너지 메터링(NEM) 요금제 모델을 사용하여 실제 소매 전기 요금 구조를 반영한다.
• 다양한 재생 가능 에너지 발전 수준, 저장 용량 및 수출 비율 조건에서 수치 시뮬레이션을 통해 알고리즘을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 넷 에너지 메터링 하에서 태양광 발전, 유연한 수요 및 배터리 저장장치를 공동 최적화할 수 있는 탈중앙화되고 저복잡도의 알고리즘이 성능 보장을 받을 수 있는가?
• RQ2 저장 용량 제약 조건이 제안된 최면 정책의 최적성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 재생 가능 에너지 발전 수준과 수출 비율은 공동 최적화 하에서 프로슈머의 수익 증가에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공동 최적화는 배전 시스템 운영자에 의한 유틸리티의 순 비용 감소와 비용 회수 능력을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 제안된 방법은 대규모 실시간 환경에서 최소한의 통신 및 계산 오버헤드로 구현 가능한가?

주요 결과

• 제안된 최면 공동 최적화 알고리즘은 저장 용량 제약 조건이 비-binding일 경우 최적성을 달성하며, 이 조건 하에서 성능 보장을 제공한다.
• 수출 가격이 0.5$/kWh이고 충전/방전 용량이 0.5kW일 경우, 능동형 SDG 프로슈머는 최적화되지 않은 소비자 대비 57%의 수익 증가를 달성했으며, 수동형 및 능동형 DG 고객보다 뛰어난 성능를 보였다.
• 알고리즘은 선형 계산 복잡도를 보이며, 중앙 집중적 조율 없이도 대규모 프로슈머 수에 걸쳐 확장 가능하고 탈중앙화된 구현이 가능하다.
• 프로슈머 수익 증가율은 재생 가능 에너지 발전량 증가에 따라 증가하며, 지역 소비 비율이 100%에 도달할 때 최고 수준에 도달한다. 이는 더 높은 저장 전력 용량을 갖춘 능동형 SDG 구성에서 가장 두드러진다.
• 배터리 방전은 유틸리티 순 비용을 태양광 발전 시간대에서 비-태양광 시간대로 이동시켜, 태양광 발전 최고점 기간에는 비용 회수 능력을 저하시키지만, 비-태양광 기간에는 비용을 증가시킨다.
• 수출 및 수입 가격이 동일한 경우(NEM 1.0), 수익 증가율이 감소한다. 이는 전력망이 가상의 저장장치로 작용하여 DER 인식 소비 결정의 유인 요인을 감소시키기 때문이다.