[논문 리뷰] Economic Power Capacity Design of Distributed Energy Resources for Reliable Community Microgrids

Chen Yuan, Guangyi Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 03.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 불확실성 하에서 신뢰성을 확보하기 위해 공동체 마이크로그리드 내 분산 에너지 자원(DERs)의 경제적 전력 용량 설계 프레임워크를 제안한다. 이는 이산 시간 푸리에 변환(DTFT)과 입자 군집 최적화(PSO)를 조합하여, 부하 및 재생 가능 에너지 발전 변동성에 대응하면서 비용을 최소화하는 최적의 DER 규모를 결정한다. 민감도 분석을 통해 용량 설계가 예측된 재생 가능 에너지 침투 수준에 매우 의존한다는 점을 확인할 수 있다.

ABSTRACT

Community microgrids are developed within existing power systems by integrating local distributed energy resources (DERs). So power distribution systems can be seamlessly partitioned into community microgrids and end-users could be largely supported when an extreme event happens. However, because of DERs low inertia, their power capacity should be well designed to cover unexpected events and guarantee system reliability. This paper presents a quantitative and qualitative combined methodology for DERs selection, and an economic approach to meet the system reliability requirements. Discrete time Fourier transform (DTFT) and particle swarm optimization (PSO) are employed to obtain the optimal solution, with consideration of load demand and renewable generation uncertainties. In addition, a sensitivity analysis is conducted to show how DERs' capacity design is impacted by counted portion of the forecasted renewable generation.

연구 동기 및 목표

• 공동체 마이크로그리드 내 분산 에너지 자원(DERs)을 위한 경제적이고 신뢰할 수 있는 전력 용량 설계를 개발하기 위해.
• 예측할 수 없는 사건에 대응하기 위해 충분한 용량을 확보하여 DER 통합 시스템의 낮은 관성 문제를 해결하기 위해.
• 불확실성 하에서 최적의 DER 규모를 통해 시스템 신뢰성과 경제적 효율성을 균형 잡기 위해.
• 민감도 분 析를 통해 예측된 재생 가능 에너지 발전이 DER 용량 요구사항에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 부하 및 재생 가능 에너지 발전의 불확실성에 대한 주파수 도메인 특성을 모델링하고 분석하기 위해 이산 시간 푸리에 변환(DTFT)을 사용한다.
• 비선형이며 제약 조건이 있는 최적화 문제를 해결하기 위해 입자 군집 최적화(PSO)를 적용한다.
• 최적화 프레임워크에 부하 수요 및 재생 가능 에너지 발전 예측치를 확률적 입력으로 통합한다.
• 투자 및 운영 비용을 포함한 총 시스템 비용을 최소화하는 목표 함수를 설정하며, 이는 신뢰성 제약 조건을 수반한다.
• 부하 차단 또는 전력 부족의 확률에 기반한 신뢰성 기준을 통합한다.
• 예측된 재생 가능 에너지 발전 비율에 대한 민감도 분 析를 수행하여 그 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부하 및 재생 가능 에너지 발전의 불확실성 하에서 경제적으로 최적화된 DER 용량은 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ2 예측된 재생 가능 에너지 침투 수준의 변화가 필요한 DER 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 DTFT와 PSO는 최적의 DER 규모 해법을 찾는 데 어떻게 상호 보완적으로 기여하는가?
• RQ4 비용 최소화와 신뢰성 간의 상충 관계는 공동체 마이크로그리드 설계에서 어떻게 나타나는가?
• RQ5 최적의 DER 용량은 재생 가능 에너지 예측 정확도나 침투 수준의 변화에 얼마나 민감한가?

주요 결과

• 제안된 DTFT-PSO 방법은 총 비용을 최소화하면서도 시스템 신뢰성을 유지하는 최적의 DER 용량 구성 설정에 성공적으로 도달한다.
• 민감도 분 析를 통해 예측된 재생 가능 에너지 침투 수준이 높아질수록 필요한 DER 용량이 크게 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 특정 임계값을 초과하면 수익 감소 효과가 나타남을 시사한다.
• 최적화 프레임워크는 고도의 불확실성 하에서도 부하 차단 확률이 사전 정의된 신뢰성 한계 이하로 유지됨을 보장한다.
• DTFT의 통합은 부하 및 재생 가능 에너지 발전의 시간에 따라 변하는 불확실성을 정확하게 모델링할 수 있게 한다.
• PSO는 효율적으로 근사 최적 해에 수렴하며, 실용적인 마이크로그리드 응용에 대한 강건성과 확장성을 입증한다.
• 결과적으로 DER 규모가 예측된 재생 가능 에너지 출력과 시스템 불확실성 양측을 고려할 경우 경제적이고 안정적인 마이크로그리드 운영이 가능하다는 것이 확인되었다.