[논문 리뷰] HyMGP: A Customized MILP-Based Tool for Techno-Economic Planning of Islanded Microgrids

Andres Intriago, Rongxing Hu외 10명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 15.

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한 줄 요약

HyMGP는 고립형 마이크로그리드의 기술경제 계획을 위한 맞춤형 MILP 기반 도구이며, HOMER Pro와 벤치마크를 통해 바람과 Li-ion BESS가 사우디 사막 독립형 마이크로그리드에서 NPC를 감소시킬 수 있음을 보여준다. 또한 배터리 자율성의 효과를 분석하고 납축전지 대비 Li-ion 저장을 비교한다.

ABSTRACT

This paper presents a customized microgrid planning algorithm and tool, HyMGP, for remote sites in arid regions, which is formulated as a Mixed Integer Linear Programming (MILP) problem. HyMGP is compared with HOMER Pro to evaluate its performance in optimizing the sizing of microgrid components, including photovoltaic panels (PVs), vertical axis wind turbines (VAWTs), and battery energy storage systems (BESS), for remote and off-grid applications. The study focuses on a standalone microgrid in the Saudi Arabia, considering high solar irradiance, limited wind availability, and a constant load profile composed of continuous cathodic protection and daytime cooling. In the simulation environment, comparisons with HOMER solutions demonstrate the advantages of HyMGP, which provides optimal and more flexible solutions by allowing user-defined component specifications and strictly enforcing all constraints. Further analysis shows that incorporating wind turbines reduces the Net Present Cost (NPC) by decreasing the required PV and battery capacities. Increasing battery autonomy leads to a higher NPC in both PV-only and hybrid systems due to the need for larger storage. Finally, lithium iron phosphate (Li-ion LFP) batteries are found to be more cost effective than lead acid, offering lower NPCs due to their longer lifespan, deeper discharge capability, and fewer replacement cycles.

연구 동기 및 목표

• 원격 사막 지역에 맞춘 MILP 기반 마이크로그램 계획 알고리즘 개발.
• 제약 조건 처리와 최적성에서의 장점을 보이기 위해 HyMGP 결과를 HOMER Pro와 비교한다.
• 풍력 통합 및 배터리 자율성이 총 순현재비용(NPC)에 미치는 영향을 평가한다.
• 독립형 마이크로그리드에서 Li-ion LFP 대 납축전지(BESS)의 비용 효과를 평가한다.

제안 방법

• 마이크로그리드 계획을 25년 기간 동안 NPC를 최소화하도록 MILP로 정식화한다.
• 투자비용과 운영비용을 포함해 PV, WT, 및 BESS 유닛 수에 대한 의사결정 변수를 정의한다.
• SOC, 충방전, 예비요건 등을 포함하여 PV, WT, 및 BESS에 대한 작동 제약을 포함한다.
• 비용과 신뢰성을 균형시키기 위해 제어된 미충족 전력 및 미충족 예비를 허용한다.
• MATLAB에서 Gurobi로 해결하고 시나리오 전반에 걸쳐 HOMER Pro와 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HyMGP가 고립형 마이크로그리드에서 NPC를 최소화하기 위해 구성요소 크기(PV, WT, BESS)를 어떻게 최적화하는가?
• RQ2 제약 조건 적용 및 최적성 측면에서 HyMGP가 HOMER Pro에 비해 얻는 비교우위는 무엇인가?
• RQ3 풍력 통합 및 배터리 자율성이 NPC와 시스템 설계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 장기 독립형 마이크로그리드에서 Li-ion LFP 배터리가 납축전지보다 비용 효율적인가?

주요 결과

• 풍력 통합은 PV 및 BESS 규모를 축소시켜 NPC를 감소시키며(세 경우에서 각각 18%, 28%, 23% 감소).
• 소량의 미충족 부하(0.05%)를 허용하면 PV전용의 NPC가 5.4%, PV+WT의 경우 10.8% 감소한다.
• HyMGP는 제약을 엄격히 만족하는 해를 도출하며, 유사한 미충족 부하 수준에서 PV+WT의 경우 HOMER보다 최대 10% 낮은 NPC를 낼 수 있다.
• Li-ion LFP 배터리는 납축전지보다 비용 효율적이며, 미충족 부하가 없을 때 NPC이 각각 5.54%(PV)와 7.48%(PV+WT) 감소하고 미충족 부하 허용이 늘어나면 감소폭이 커진다.
• 배터리 자율성 증가로 저장 용량이 지배적이 되면서 PV-전용과 하이브리드 시스템 간의 비용 차이가 축소된다.
• 풍력의 포함은 필요한 재생에너지 용량과 저장을 줄여 전반적인 경제성을 개선한다.