[논문 리뷰] Frequency-driven market mechanisms for optimal dispatch in power networks

Tjerk Stegink, Ashish Cherukuri외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 30.

Electric Power System Optimization참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 실시간 입찰와 전력 시스템 주파수 동역학을 통합하여 경쟁적 발전자가 전기 생산을 입찰할 수 있도록 하는 주파수 기반 연속시간 시장 메커니즘을 제안한다. 이는 최적의 경제적 배분과 주파수 조정을 보장한다. 베르트란 게임 프레임워크 내에서 국지적 주파수 편차를 피드백 신호로 사용함으로써, 시스템은 주파수 편차가 0이고 총 발전 비용이 최소화된 효율적인 내쉬 균형으로 증명 가능하게 수렴한다.

ABSTRACT

This paper studies real-time bidding mechanisms for economic dispatch and frequency regulation in electrical power networks. We consider a market administered by an independent system operator (ISO) where a group of strategic generators participate in a Bertrand game of competition. Generators bid prices at which they are willing to produce electricity. Each generator aims to maximize their profit, while the ISO seeks to minimize the total generation cost and to regulate the frequency of the system. We consider a continuous-time bidding process coupled with the swing dynamics of the network through the use of frequency as a feedback signal for the negotiation process. We analyze the stability of the resulting interconnected system, establishing frequency regulation and the convergence to a Nash equilibrium and optimal generation levels. The results are verified in the IEEE 14-bus benchmark case.

연구 동기 및 목표

• 주파수 안정성이나 경제적 효율성을 해치지 않으면서 간헐적인 재생 가능 에너지원을 전력 시스템에 통합하는 도전 과제를 해결한다.
• 기존의 계층적 제어의 한계를 극복하기 위해 실시간 시장 정산과 주요 주파수 조정을 융합한다.
• 전략적 발전자가 동적인 시장에서 가격 설정자 역할을 할 수 있도록 하면서도 비용 최적의 발전 수준으로 수렴하도록 보장한다.
• 입찰 과정이 입찰의 비음성과 발전 제한과 같은 물리적 제약 조건을 존중하도록 보장한다.
• 빠르게 변화하는 네트워크 조건 하에서 상호 연결된 시스템의 안정성과 수렴성에 대한 이론적 보장을 수립한다.

제안 방법

• ISO가 설정한 현재의 전력 수준과 수익 유인에 기반해 발전자가 입찰을 조정하는 연속시간 입찰 과정을 수립한다.
• ISO의 역할을 총 지불 비용을 최소화하고 전력 균형과 주파수 조정을 강제하는 최적화 문제로 모델링한다.
• 주파수 편차를 피드백 신호로 사용하여 입찰 동역학을 전력 네트워크의 스윙 동역학과 통합한다.
• 입찰과 발전 수준의 음성 제약 조건을 강제하기 위해 사영 동역학 시스템을 사용한다.
• 보완성 시스템에 대한 불변성 원리를 적용하여 효율적인 내쉬 균형으로의 국소 수렴을 증명한다.
• ISO가 실시간 주파수 측정치와 입찰 정보에 기반해 발전 설정값을 업데이트하는 하이브리드 제어 계획을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 피드백 기반의 연속시간 시장 메커니즘이 전력망에서 최적의 경제적 배분과 안정적인 주파수 조정을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ2 입찰 과정에 주파수를 피드백 신호로 포함했을 때 수렴 속도와 일시적 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 발전자 간의 제안된 베르트란 게임이 최적의 전력 배분에 해당하는 효율적인 내쉬 균형으로 수렴하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 동적 부하와 비용 함수의 변화가 시장 기반 배분 메커니즘의 안정성과 수렴성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 일시적 주파수 응답과 시스템 내성 면에서 피드백이 없는 입찰과 비교했을 때 제안된 방식의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 상호 연결된 시스템은 총 발전 비용이 최소화되고 주파수 편차가 0인 효율적인 내쉬 균형으로 수렴한다.
• IEEE 14-bus 시스템에서의 수치 시뮬레이션 결과, 갑작스러운 부하 또는 비용 함수 변화 이후에도 빠른 수렴이 관찰되었다.
• 주파수 피드백이 있는 경우(σ=300), 피드백이 없는 경우(σ=0)에 비해 오버슈트와 진동이 감소하여 더 우수한 일시적 주파수 응답을 보였다.
• 노드 3, 6, 8에서 비용이 감소한 후 총 발전 비용은 시간당 $9711에서 $8540로 감소하여 동적 조건 하에서도 비용 효율성이 확인되었다.
• 모든 시험 시나리오에서 타당성과 안정성이 유지되었으며, 전체 과정 동안 입찰과 발전 수준이 음성 제약 조건을 준수하였다.
• 사영 동역학 시스템에 대한 불변성 원리를 통해 국소 수렴이 보장되어 외란과 모델 불확실성에 대한 내성성이 확보되었다.