[논문 리뷰] Generic Demand Modelling Considering the Impact of Prosumers for Future Grid Scenario Studies

Hesamoddin Marzooghi, Shariq Riaz외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 19.

Smart Grid Energy Management인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 옥상 태양광 패널과 배터리 저장장치를 갖춘 프로슈머의 집합적 행동을 모델링하여 전력망의 미래 순수하중를 시뮬레이션할 수 있는 시장 구조에 관계없는 이중 최적화 기반 일반화된 수요 모델을 제안한다. 이 모델은 프로슈머 비율 증가가 그리드의 유연성 향상, 부하 수용 능력 향상, 그리고 특히 오스트레일리아 국립 전력시장에서 높은 재생 가능 에너지 비율 상황에서의 전압 안정성 향상에 기여하는 방식을 보여준다.

ABSTRACT

High penetration of intermittent renewable energy sources (RESs) in future grids (FGs) requires flexible resources such as energy storage and demand response (DR) to maintain the balance between demand and supply. At the same time, residential battery storage is becoming an increasingly sound proposition for users with rooftop photovoltaic (PV). Hence, in this paper, we propose a generic demand model which represents the aggregated effect of price-responsive users equipped with rooftop PV-battery systems (prosumers) for modelling net future demand in FG scenario studies. The model that is market structure agnostic aims to mimic the behaviour of an efficient future electricity market provided a suitable mechanism for DR aggregation is adopted. The framework is based on a bi-level optimisation in which a unit commitment (UC) problem is taken as the upper-level optimisation aiming to minimise the total electricity cost. The lower-level optimisation is formulated in terms of an aggregation of prosumers aiming to maximise their self-consumption. Case studies explore the influence of different penetration of prosumers on performance, loadability and voltage stability of the Australian National Electricity Market with an increased penetration of RESs.

연구 동기 및 목표

• 간헐적인 재생 가능 에너지원(RES)의 비율 증가로 인해 향후 전력망에서의 탄력적 자원 수요 증가에 대응하기 위해.
• 옥상 태양광 패널과 배터리 저장장치를 갖춘 가격 반응형 주거용 프로슈머의 집합적 영향을 순수하중에 모델링하기 위해.
• 수요 반응 집합을 통한 효율적인 미래 전력시장 행동을 시뮬레이션하기 위해 시장 구조에 관계없는 프레임워크를 개발하기 위해.
• 프로슈머 비율이 향후 전력망 시나리오에서 시스템 성능, 부하 수용 능력, 전압 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 높은 RES 통합을 포함한 미래 전력망 시나리오 연구에 적용 가능한 확장 가능하고 일반화된 수요 모델링 접근법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이중 최적화 프레임워크를 수립: 상위 수준은 총 전기비용을 최소화하는 단위 기동(UC) 문제이다.
• 하위 수준은 가격 신호에 따라 프로슈머의 집합적 자기소비를 최적화하여 개인의 의사결정을 모의한다.
• 옥상 태양광 패널과 배터리 저장장치를 갖춘 가격 반응형 실체로 프로슈머를 모델링하며, 자기소비 최대화와 그리드 수입 최소화에 중점을 둔다.
• 시장 청산 일관성을 확보하기 위해 UC 문제와 결합하여 프로슈머 모델을 전체 시스템에 통합한다.
• 다양한 전력시장 설계에 적용 가능한 시장 구조에 관계없는 접근법을 사용한다.
• 오스트레일리아 국립 전력시장을 다양한 프로슈머 비율 수준에서 시뮬레이션하여 시스템 수준의 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고율 재생 가능 에너지원을 포함한 미래 전력망에서 프로슈머 비율 증가가 순수하중 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 프로슈머 주도 수요 반응과 자기소비는 시스템의 부하 수용 능력과 전압 안정성 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 다양한 프로슈머 비율이 총 전기비용과 시스템 운영 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 이중 최적화 모델은 특정 시장 메커니즘에 의존하지 않고 프로슈머의 집합적 행동을 얼마나 정확하게 표현하는가?
• RQ5 프로슈머 통합은 향후 전력망 시나리오에서 수요와 공급의 균형을 어떻게 변화시키는가?

주요 결과

• 프로슈머 비율 증가로 인해 순정점하중이 크게 감소하여 시스템의 부하 수용 능력 향상과 송전 인프라의 부담 감소가 이루어진다.
• 지역적 에너지 생산과 역방향 전력 흐름 감소로 인해 프로슈머 도입 증가에 따라 전압 안정성이 향상됨을 모델이 입증한다.
• 집합적 프로슈머 자기소비로 전체 전력 수입 필요성이 감소하여 단위 기동 프레임워크 내에서 총 시스템 비용이 낮아진다.
• 이중 최적화 프레임워크는 특정 시장 메커니즘에 의존하지 않고 프로슈머의 전략적 행동을 효과적으로 포착한다.
• 사례 연구 결과, 프로슈머 통합은 운영 안정성에 영향을 주지 않으면서도 그리드의 유연성을 향상시키고 더 높은 RES 비율 통합을 가능하게 한다.
• 시장 구조에 관계없는 설계 덕분에 이 모델은 향후 다양한 전력시장 설계 및 규제 프레임워크에 널리 적용 가능하다.