[논문 리뷰] Coordinated Scheduling of Electric Vehicles Within Zero Carbon Emission Hybrid AC/DC Microgrids

Reza Bayani, Arash Farokhi Soofi외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 24.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 14인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 대규모 에너지 저장 장치 없이 탄소 배출 없이 작동하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드에서 플러그인 전기자동차(EV)의 협동 스케줄링 프레임워크를 제안한다. EV 배터리를 분산형 이동 저장 장치로 활용함으로써, DC 측에 고속 충전 스테이션을 통합하고, 혼합정수여수제곱계획법(MIQP)을 통해 EV의 충전 및 방전를 최적화함으로써, 낮은 일조량이나 인버터 용량 조건에서도 전체 부하를 충족시킨다. EV는 개인의 이동 수요뿐만 아니라 마이크로그리드의 수요를 모두 충족시킨다.

ABSTRACT

Microgrids with AC/DC architecture benefit from advantages of both AC and DC power. In this paper, daily operation problem for a zero-carbon AC/DC microgrid in presence of electric vehicles (EVs) is considered. In this framework, EVs' batteries are mobile energy storage systems, which allow desirable operation of the microgrid during peak demand hours. This study shows in absence of storage system, EVs' batteries can be properly managed to satisfy the system requirements. In the case studies, several sensitivity analyses based on variations in battery degradation costs, solar irradiance, and inverter capacity are investigated.

연구 동기 및 목표

• 대규모 에너지 저장 장치 없이도 고립형 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드의 신뢰성 있고 탄소 배출 없는 운영을 가능하게 하기 위해.
• EV 배터리가 일일 이동 에너지 수요를 충족시키는 동시에, 재생 에너지 생산이 낮을 때 마이크로그리드의 피크 부하를 지원하는 이중 기능을 어떻게 수행할 수 있는지 조사하기 위해.
• V2G 비용, 일조량, 인버터 용량이 시스템 신뢰성 및 운영 비용에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 협동된 EV 스케줄링이 마이크로그리드에서 전통적 저장 시스템을 대체할 수 있음을 입증하기 위해.
• 혼합정수여수제곱계획법을 활용한 확장 가능하고 비용 최적화된 스케줄링 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 매일의 마이크로그리드 운영을 최적화하기 위해 혼합정수여수제곱계획법(MIQP) 모델을 수립한다.
• EV를 이동형 에너지 저장 단위로 모델링하며, 이동, 정지, 연결 상태(충전 또는 V2G)의 세 가지 운영 상태를 가진다.
• 고출력 충전 및 V2G 지원을 가능하게 하기 위해, 고속 충전 스테이션을 DC 측에 전용으로 통합한다.
• 선형화된 AC 전력 흐름 근사치를 사용하여 AC 및 DC 측 모두에 전압, 전력 흐름, 선로 용량 제약 조건을 적용한다.
• V2G 전력 주입에 따른 EV 배터리의 노후화 비용을 함수로 통합하며, 실제 배터리 마모를 반영하기 위해 가변 다중수를 사용한다.
• 노드 전력 균형 방정식을 사용하여, EV, 재생 에너지 및 인버터에서의 전력 주입이 각 버스의 부하 수요와 일치하도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EV 배터리가 탄소 배출 없이 작동하는 하이브리드 AC/DC 마이크로그리드에서 대규모 에너지 저장 장치를 효과적으로 대체할 수 있는가?
• RQ2 V2G 운영의 노후화 비용이 부하 수요를 충족시키는 데 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 일조량 감소가 재생 에너지 활용도 및 부하 공급 신뢰성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 인버터 용량 제한이 AC 및 DC 측 간의 전력 교환과 전체 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 재생 에너지 생산이 낮거나 인버터 성능이 저하되는 동안 EV가 얼마나 유연하게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• V2G 노후화 비용 다중수를 10으로 설정했을 때, EV는 V2G 전력을 전혀 기여하지 않으며, 일일 이동 수요를 충족시키기 위한 에너지만 저장하고도 시스템은 여전히 99.7%의 수요를 충족시킨다.
• 100% 일조량 조건에서는 마이크로그리드 에너지의 60%가 PV에서 유래하지만, 90% 조건에서는 여유 일조량을 효율적으로 관리할 수 있는 유연성 덕분에 EV가 더 많은 에너지를 충전한다(4,490 MWh 대비 4,430 MWh).
• 일조량이 10%로 감소할 경우, 마이크로그리드는 여전히 모든 수요를 충족시키지만, 10% 일조량 조건에서는 재생 에너지 출력이 부족해 60%의 부하가 손실된다.
• 인버터 용량이 0이 되면 19.39%의 부하가 누락되며, 이는 AC-DC 전력 교환의 중요성이 에너지 저장 및 신뢰성에 핵심적임을 보여준다.
• 일조량이 70%를 초과할 때만 EV가 여유 에너지를 축적하여 V2G에 사용하기 시작함을 보여주며, 이는 재생 에너지 여유가 확보되는 임계점을 의미한다.
• 고비용 V2G, 낮은 일조량, 인버터 용량 감소 조건에서도 시스템은 여전히 전체 부하 공급 능력을 유지하며, EV의 유연성 덕분에 뛰어난 내구성을 입증한다.