[논문 리뷰] Flexible unit commitment of a network-constrained combined heat and power system

Alvaro González-Castellanos, Priyanko Guha Thakurta외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 25.

Integrated Energy Systems Optimization참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전력 및 열망을 통합하고 세부적인 CHP 단위 모델링, 열 저장 및 DC 전력 흐름 제약 조건을 고려한 네트워크 제약이 있는 복합열력(CHP) 시스템에서의 당일 전망 유연한 단위 할당을 위한 혼합정수선형계획(MILP) 모델을 제안한다. 주요 기여는 열 및 전력 시스템의 공동 운영이 열 저장을 활용하고 네트워크 제약을 준수할 때 특히 운영의 유연성, 효율성 및 경제적 성과를 향상시킨다는 것을 입증하는 것이다.

ABSTRACT

Large Combined Heat and Power (CHP) plants are often employed in order to feed district heating networks, in Europe, in post soviet countries and China. Traditionally they have been operated following the thermal load with the electric energy considered as a by-product, while the modern trend includes them in the electric market to take advantage of the flexibility they could provide. This implies the necessity to consider the impact on the electric grid while filling the thermal load requests. A detailed Mixed Integer Linear Programming (MILP) optimization model for the solution of the network-constrained CHP unit commitment of the day-ahead operation is introduced. The developed model accounts for lossless DC network approximation of the electric power flow constraints, as well as a detailed characterization of the CHP units with useful effect, heat and power, function of one and two independent variables ("degrees-of-freedom"), and thermal energy storage. A computational validation of the outlined model on a CHP test system with multiple heating zones is presented in the form of computational test cases. The test cases illustrate the impact on the flexibility of the implementation of the energy storage, network constraints and joint multi-system operation. The conducted studies have highlighted the importance of a comprehensive and integrated analysis of multi-energy systems to exploit the operational flexibility provided by the cogeneration units. The joint operation of the thermal and electric system allows to reap economic, operational efficiency, and environmental benefits. The developed model can be easily extended to include diverse multi-energy systems and technologies, as well as more complex representations of the energy transmission networks, and the modeling of renewable energy resources dependent of one or more independent, weather-related, variables.

연구 동기 및 목표

• 네트워크 제약이 있는 CHP 시스템에서의 당일 전망 단위 할당을 위한 종합적인 최적화 모델을 개발하기 위해.
• 정확한 표현을 위해 하나 또는 두 개의 독립 변수(예: 연료 및 전력/열 출력)를 사용하여 CHP 단위의 특성을 세부적으로 통합하기 위해.
• 시스템의 유연성을 향상시키기 위해 열 에너지 저장 및 네트워크 제약 조건(직류 전력 흐름을 통해)을 통합하기 위해.
• 열 저장, 네트워크 제한 및 다시스템 운영이 운영의 유연성과 비용 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 모듈식 모델링을 통해 다에너지 시스템 및 재생 가능 에너지 통합을 위한 확장 가능성을 제공하기 위해.

제안 방법

• 네트워크 제약 조건이 있는 CHP 시스템에서의 당일 전망 단위 할당을 위한 혼합정수선형계획(MILP) 모델을 수립한다.
• 선로의 선로 수반도 및 노드 위상 변수를 사용하여 손실이 없는 직류 전력 흐름 근사치를 사용해 송전선로를 통한 유공력 흐름을 모델링한다.
• 하나 또는 두 개의 독립 변수(예: 연료 투입 대비 전력/열 출력)를 가진 단위의 성능 곡선을 단계별 선형화하여 절점(브레이크포인트)을 적용한다.
• 단위 할당, 기동 절차 및 최소 운전 시간 제약 조건을 모델링하기 위해 이진 변수를 적용하여 운영 역학을 표현한다.
• 지역별 열 에너지 수지에 열 전달 효율성, 저장 손실 및 지역별 저장 용량을 고려하여 모델링한다.
• 전기 및 열 시스템을 공통의 CHP 단위를 통해 통합하며, 부하 균형 및 선로 열 제약 조건을 확보하는 제약 조건을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열 에너지 저장의 통합은 네트워크 제약 조건 하에서 CHP 단위 할당의 유연성과 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 선로 전력 흐름 제한 등의 네트워크 제약 조건은 복합열력 시스템에서 CHP 단위의 운영 유연성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 전기 및 열망의 공동 운영은 고립 운영 대비 시스템 효율성과 경제적 성과를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 연료 및 전력/열과 같은 두 개의 독립 변수를 사용하여 CHP 단위를 모델링할 경우, 한 개의 변수 대비 해석 정확도와 유연성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 MILP 모델은 재생 가능 에너지 자원과 더 복잡한 다에너지 시스템 구성으로 효과적으로 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 열 에너지 저장의 통합은 열 이동을 가능하게 하고, 비효율적 사용을 줄이며, 운영 비용을 낮추어 시스템의 유연성을 크게 향상시킨다.
• 네트워크 제약 조건(선로 전력 흐름 제한)은 특히 혼잡한 지역에서 단위 할당 결정에 명백한 영향을 미치며, 정확한 배치를 위해 반드시 명시적으로 모델링되어야 한다.
• 전기 및 열 시스템의 공동 운영은 CHP 단위가 양쪽 에너지 시장에서 더 잘 균형을 이루기 때문에 더 높은 운영 효율성과 경제적 이점을 제공한다.
• 연료 및 전력/열과 같은 두 개의 독립 변수를 사용한 단위 모델링은 CHP 성능을 더 정확하게 표현할 수 있어 해석의 정밀도를 향상시킨다.
• 모델은 열 저장 손실(시간당 2%로 가정)과 열 전달 효율성(92%)이 시스템 성능과 비용에 영향을 미치는 핵심 매개변수임을 입증한다.
• 다지역 CHP 시스템에서의 계산 검증을 통해 모델이 복잡한 시스템 상호작용을 처리하고 최적의 탄력적인 배치 솔루션을 제공할 수 있음을 확인한다.