[논문 리뷰] Economic Valuation and Pricing of Inertia in Inverter-Dominated Power Systems

Matthieu Paturet, Uros Markovic외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 22.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 14인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 인verter 지배 전력시스템에서 관성 제공자에 대한 공정하고 투명한 보상 체계를 위해 세 가지 신규 가격 설정 메커니즘—사후 계산, 유틸리티 함수 기반, 보상 지급—을 제안한다. 주파수 제약 조건이 있는 단위 할당 모델을 사용하여 에너지와 관성의 공동 최적화를 수행함으로써, 모든 방법이 주파수 안정성을 향상시키며, 특히 보상 지급 방식이 시스템 운영자에게 가장 실용적이고 비용 효율적인 해결책으로 떠오름을 입증한다.

ABSTRACT

This paper studies the procurement and pricing of inertial response using a frequency-constrained unit commitment formulation, which co-optimizes the provision of energy and inertia services while accounting for their complementary properties. The proposed approach builds on a two-step process that allows to differentiate between the units being online for energy purposes and the ones committed additionally solely for inertia provision. Subsequently, three novel pricing and payment schemes that reimburse inertia providers in a transparent and fair manner according to their individual participation are proposed. The analysis considers both synchronous and converter-based generators and provides insights regarding the impact of each pricing scheme on total system cost, as well as on the investment signals for technologies capable of offering affordable inertial response. The results show that all three methods will have a beneficial impact on frequency stability and aid the operator in ensuring system reliability, whereas the policy implications to different inertia providing units will vary between the payment schemes.

연구 동기 및 목표

• 인버터 기반 자원이 지배하는 저관성 전력시스템에서 관성 반응을 공정하게 가격 책정할 수 있는 시장 메커니즘의 증가하는 필요성을 해결한다.
• 기존 접근 방식의 한계를 극복하며, 관성과 다른 서비스를 묶어 처리하거나 실시간 가치와 비용 회수를 반영하지 못하는 문제를 해결한다.
• 동기화 발전기와 변환기 기반 단위가 제공하는 가상 관성에 대해 투명하고 공정한 보상 체계를 확보한다.
• 배터리와 합성 관성을 갖춘 풍력 터빈과 같은 저비용 관성 제공 기술에 대한 투자를 유도하기 위해 명확한 가격 신호를 제공한다.
• 시스템 운영자가 시스템 조건과 부족 수준에 따라 관성에 대한 지불 의사 표현을 동적으로 가능하게 한다.

제안 방법

• 에너지 서비스를 위한 온라인 단위와 관성 전용으로 할당된 단위를 구분하는 두 단계 주파수 제약 조건이 있는 단위 할당(Utility Commitment, UC) 수식을 개발한다.
• 에너지 및 관성 서비스를 공동 최적화하면서, 두 서비스의 상호 보완성과 동기화 발전기의 이산적인 케이스/오프 상태를 고려한다.
• 세 가지 별개의 가격 책정 체계—사후 계산, 유틸리티 함수 기반, 보상 지급—을 적용하여 개별 참여에 기반한 공정한 보상 수준을 산정한다.
• 혼합정수 2차 원형 프로그래밍(MISOCP)을 사용하여 주파수 안정성 제약 조건을 모델링하고 시스템 안정성을 확보한다.
• 기존의 동기화 발전기와 배터리, 풍력 등 변환기 기반 단위(가상 관성 제공 가능)를 모두 포함한다.
• 다양한 수준의 가상 관성 침투율을 가진 대규모 시험 시스템을 사용하여 각 체계의 시스템 비용, 지급 분포, 투자 신호 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지와 함께 주파수 제약 조건이 있는 단위 할당에서 관성은 이산적이고 비선형적인 서비스이며 상호 보완성이 있기 때문에, 어떻게 투명하고 공정하게 가격 책정할 수 있는가?
• RQ2 다양한 가격 책정 메커니즘이 총 시스템 비용과 관성 제공자의 재정적 지속 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 가상 관성 침투율이 변화함에 따라 각 가격 책정 체계의 성능과 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어느 가격 책정 메커니즘이 동기화 발전기의 비용 회수를 가장 잘 지원하면서 동시에 가상 관성 제공자에게 과도한 지급을 방지하는가?
• RQ5 세 가지 체계가 배터리와 합성 관성을 갖춘 풍력 터빈과 같은 저비용 관성 제공 기술에 대한 투자 신호에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 세 가지 가격 책정 방법이 동일한 최적의 단위 할당 해답과 €569,610의 총 시스템 비용을 도출하여, UC 수식이 모든 체계 간에 일관성을 유지함을 확인한다.
• Method 2(유틸리티 함수 기반)는 총 관성 지급액이 €162,124로 가장 낮아 전송 시스템 운영자(TSO)에게 가장 비용 효율적인 해결책이다.
• Method 1(사후 계산)은 총 지급액 €258,160, Method 3(보상 지급)는 €187,948로 모두 Method 2보다 높다.
• 가상 관성 침투율이 0%에서 35%로 증가함에 따라 Method 1과 Method 3의 지급액이 크게 감소하지만, Method 2는 €162,124로 일정하게 유지된다.
• Method 2는 18개 단위 중 5개에서 손실을 기록하는 반면, Method 1과 Method 3은 음의 수익을 기록하는 단위가 없어, Method 1과 3이 더 높은 재정적 안정성을 보인다.
• 보상 지급(제3 방법)이 가장 실용적이고 유익한 접근으로 확인되었으며, 기존 관행에 익숙하고 사후 계산이 불필요하며 표준 UC 수식과 호환되기 때문이다.