[논문 리뷰] Estimating the Future Need of Balancing Power Based on Long-Term Power System Market Simulations

Henrik Nordström, Lennart Söder외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 11.

Electric Power System Optimization인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 고변동성 재생 가능 에너지(vRES) 비중이 높은 전력시스템에서 향후 보정 전력 수요를 추정하기 위해 고해상도 내부 거래기간(TP) 시뮬레이션 모델을 제안한다. 일반적으로 시장 모델링에 사용되는 장기적 TP 에너지 시뮬레이션을 정교화함으로써, 실시간 전력 불균형을 포착하여 빠른 램프업이 보정 수요를 증가시키고, 전송 신뢰성 마진(TRM)을 사용할 경우 2045년 스웨덴 시나리오에서 필요로 하는 보정 전력이 크게 감소함을 밝혀낸다.

ABSTRACT

With increasing penetration of variable renewable energy sources (vRES) and a higher rate of electrification in the society, there will be future challenges in maintaining a continuous balance between electricity supply and demand. To investigate the possibility of different technologies to provide balancing services, to dimension future balancing services and design technical requirements for future balancing services, the future need of balancing power must first be known. Future power systems are often analysed by performing simulations capturing the energy produced, consumed or transmitted for different power system components with resolution of one trading period (TP), here called TP energy simulations. However, these simulations do not fully capture the continuous intra-TP power balance that must be kept at every time instance. In this paper, we propose a model to perform high-resolution intra-TP simulations to estimate the need of balancing power based on TP energy simulations. The model is applied to the Swedish system operator (SO) Svenska kraftnät's TP energy simulations of a scenario with high vRES penetration and a highly electrified society in year 2045. The results show that a considerable need of balancing power will occur frequently, where faster ramping of components tend to increase the need of balancing power while assuming that the transmission reliability margin (TRM) is used to net imbalances clearly decreases the need of balancing power.

연구 동기 및 목표

• 기존 장기 시장 시뮬레이션에서 내부 TP 전력 불균형을 포착하지 못하는 격차를 보완하기 위해.
• 고vRES 및 전기화 시나리오 하에서 향후 보정 전력 수요를 정량화하기 위해.
• 다양한 시스템 구성 요소와 운영 마진이 보정 요구량에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 미래 보정 서비스의 시스템 계획 및 기술 설계를 지원하기 위해.

제안 방법

• 표준 TP 에너지 시뮬레이션을 고해상도 내부 TP 시간 간격으로 확장하여 실시간 전력 균형을 모델링한다.
• 예측 오차와 vRES 및 수요의 변동성으로 인한 전력 불균형을 시뮬레이션하기 위해 동적 모델을 사용한다.
• 불균형을 상쇄하기 위해 전송 신뢰성 마진(TRM)을 도입하여 보정 서비스 필요성을 줄인다.
• 고vRES 및 전기화 비중이 높은 2045년 스웨덴 장기 시나리오에 모델을 적용한다.
• 구성 요소의 램프업 행동을 시뮬레이션하여 불균형 발생에 미치는 영향을 평가한다.
• 시스템 운영자 데이터 및 시장 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 전력시스템에서 고vRES 및 전기화 조건 하에서 내부 TP 전력 불균형은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 빠른 램프업 구성 요소가 보정 전력 수요에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전송 신뢰성 마진(TRM)을 사용할 경우 필요한 보정 전력은 얼마나 줄어들 수 있는가?
• RQ4 표준 TP 에너지 시뮬레이션과 고해상도 내부 TP 시뮬레이션 간의 보정 수요 추정 방식은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 미래 보정 서비스의 시스템 계획 및 기술 요구사항에 대해 어떤 함의가 있는가?

주요 결과

• 2045년 스웨덴 시나리오에서는 고vRES 비중이 높음에도 불구하고 보정 전력에 대한 뚜렷하고 빈번한 수요가 예측된다.
• 전력시스템 구성 요소의 더 빠른 램프업은 불균형의 크기와 빈도를 증가시켜 보정 서비스 수요를 증가시킨다.
• 불균형을 상쇄하기 위해 전송 신뢰성 마진(TRM)을 사용할 경우 필요로 하는 보정 전력이 명확하고 상당히 감소한다.
• 표준 TP 에너지 시뮬레이션은 내부 TP 역학을 해석할 수 없어 실제 보정 수요를 과소평가한다.
• 제안된 내부 TP 시뮬레이션 모델은 기존 방법에 비해 보정 전력 수요를 더 정확하고 세밀하게 추정할 수 있다.