[논문 리뷰] Cost Allocation for Inertia and Frequency Response Ancillary Services

Carlos Matamala, Luis Badesa외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 13.

Smart Grid Energy ManagementEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전력 시스템에서 관성 및 주파수 복구 보조 서비스(AS)에 대한 핵심 기반 비용 분배 메커니즘을 제안하며, 시스템 불안정성에 기여하는 발전기 및 부하 간의 공정한 비용 분배를 보장한다. 핵심 기반 방법이 비례 분배 및 케일리 값 방법보다 우수함을 입증하며, 상호 보조금을 방지하고 시장 안정성을 유지한다. 영국 전력 시스템 사례 연구를 통해 실용적 적용 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

The reduction in system inertia is creating an important market for frequency-containment Ancillary Services (AS) such as enhanced frequency response (e.g.,~provided by battery storage), traditional primary frequency response and inertia itself. This market presents an important difference with the energy-only market: while the need for energy production is driven by the demand from consumers, frequency-containment AS are procured because of the need to deal with the largest generation/demand loss in the system (or smaller losses that could potentially compromise frequency stability). Thus, a question that arises is: who should pay for frequency-containment AS? In this work, we propose a cost-allocation methodology based on the nucleolus concept, in order to distribute the total payments for frequency-containment AS among all generators or loads that create the need for these services. It is shown that this method complies with necessary properties for the AS market, such as avoidance of cross-subsidies and maintaining players in this cooperative game. Finally, we demonstrate its practical applicability through a case study for the Great Britain power system, while comparing its performance with two alternative mechanisms, namely proportional and Shapley value cost allocation.

연구 동기 및 목표

• 재생 가능 에너지 통합으로 인한 시스템 관성 감소로 인해 주파수 유지 보조 서비스(AS) 비용 분배에 대한 증가하는 수요를 해결한다.
• 기존의 비례 비용 분배 방법에서 발생하는 상호 보조금 문제를 규명하고 해결한다. 이는 일부 발전기나 부하가 실제 시스템 불안정성 기여도에 비해 불공정하게 부담을 지는 것을 방지한다.
• AS가 필요한 이유를 만드는 시장 참가자가 일관되고 안정적인 비용 분배 메커니즘을 통해 책임을 지도록 보장한다.
• 특히 핵심 기반, 케일리 값, 비례 분배와 같은 협동 게임 이론 기반 방법의 실세계 전력 시스템 적용 가능성을 실증한다.
• 시스템 통합 비용을 발전기 계획에 내재화함으로써 향후 투자 결정을 위한 프레임워크를 제공하고, 전력망 지원 기술의 보급을 촉진한다.

제안 방법

• 주파수 제어 서비스가 필요한 데 기여하는 플레이어(발전기, 부하, 저장장치) 간 협동 게임으로서 AS 비용 분배 문제를 수립한다.
• 협동 게임 이론에서 유래한 핵심 기반 개념을 적용하여 총 AS 비용을 공정성, 효율성, 안정성 성질을 만족하는 방식으로 분배한다.
• 라그랑주 승수를 활용해 주파수 안정성 제약 조건(RoCoF, 나이드, q-s-s)을 모델링하고, 이중 변수를 통해 AS의 시장 정산 가격을 도출한다.
• 핵심 기반을 비례 분배(손실 기여도 기반) 및 케일리 값(협동 게임에서의 표준 공정성 해법)과 비교한다.
• 영국 전력 시스템에 대해 혼합정수선형계획(MILP) 프레임워크를 활용해 방법론을 구현하며, 발전, 저장, 재생 가능 에너지 용량에 대한 현실적인 데이터를 통합한다.
• 최적화 모델의 이중 변수를 활용해 관성, 주요 주파수 복구(PFR), 향상된 주파수 복구(EFR)에 대한 시장 정산 가격을 도출하고, 이는 비용 분배 과정의 근거가 된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시스템 불안정성에 기여하는 발전기 및 부하 간에 주파수 유지 보조 서비스의 비용을 어떻게 공정하게 분배할 수 있는가?
• RQ2 비례 비용 분배 방법의 이론적·실용적 한계는 무엇이며, 특히 상호 보조금 문제와 관련하여 AS 시장에서 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 공정성, 안정성, 계산 가능성 측면에서 핵심 기반은 케일리 값 및 비례 분배와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 핵심 기반과 같은 협동 게임 이론 기반 방법은 고비중 재생 가능 에너지를 포함한 대규모 전력 시스템에 실용적으로 적용 가능한가?
• RQ5 제안된 비용 분배 메커니즘은 대규모 발전기와 전력망 지원 기술에 대한 향후 투자 유인에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비례 비용 분배 방법은 상호 보조금을 초래하며, 일부 발전기나 부하가 실제 시스템 불안정성 기여도에 비해 불공정하게 부담을 지는 결과를 낳는다.
• 케일리 값과 핵심 기반 모두 핵심 공정성 성질을 만족하여 공정한 비용 분배를 보장하지만, 핵심 기반은 유일하게 안정성(일관성)을 보장한다. 즉, 플레이어가 협동 게임을 이탈할 유인이 없다.
• 영국 사례 연구에서, 비례 분배 기반으로 해서 해저 풍력이 총 AS 비용의 77% 이상을 차지하지만, 핵심 기반 및 케일리 값 기반으로는 50% 수준으로 감소하여 실제 시스템 영향을 더 정확하게 반영한다.
• GB 시스템에서 핵심 기반 방법은 케일리 값과 거의 유사한 결과를 보이지만, 장기적 시장 참여를 보장하는 일관성 성질 덕분에 선호된다.
• 제안된 핵심 기반 기반 메커니즘은 시스템 통합 비용을 내재화하여, 소규모 발전소나 동기 컨덴서와 같은 관성 지원 자산의 도입을 유도하는 등 향후 투자 결정에 영향을 줄 수 있다.
• AS 비용 분배 문제의 수학적 구조가 공항 문제와 유사하므로, MILP를 통해 효율적으로 해를 구할 수 있어 실전 전력 시스템에 대해 계산적으로 타당하다.