[논문 리뷰] Impact of Dynamic Line Rating on Dispatch Decisions and Integration of Variable RES Energy

Bolun Xu, Andreas Ulbig외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 02.

Thermal Analysis in Power Transmission참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실시간 기상 데이터와 도체 열평형을 활용하여 기존의 명목선로 rating(NLR)을 초월해 송전 용량을 증가시키는 동적 라인 레이팅(DLR) 모델을 제안한다. 독일 전력시스템 기준 모의를 위한 고해상도 DC 최적화 전력 흐름 시뮬레이션을 통해 DLR가 연간 최대 800 GWh까지 풍력 제거를 감소시키고, 특히 브레멘–프랑크푸르트–슈투트가르트와 같은 혼잡한 송전 구간에서 재생 가능 에너지 비중이 높은 상황에서 부하 차단을 크게 줄이는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Dynamic line rating (DLR) models the transmission capacity of overhead lines as a function of ambient conditions. It takes advantage of the physical thermal property of overhead line conductors, thus making DLR less conservative compared to the traditional worst-case oriented nominal line rating (NLR). Employing DLR brings potential benefits for grid integration of variable Renewable Energy Sources (RES), such as wind and solar energy. In this paper, we reproduce weather conditions from renewable feed-ins and local temperature records, and calculate DLR in accordance with the RES feed-in and load demand data step. Simulations with high time resolution, using a predictive dispatch optimization and the Power Node modeling framework, of a six-node benchmark power system loosely based on the German power system are performed for the current situation, using actual wind and PV feed-in data. The integration capability of DLR under high RES production shares is inspected through simulations with scaled-up RES profiles and reduced dispatchable generation capacity. The simulation result demonstrates a comparison between DLR and NLR in terms of reductions in RES generation curtailments and load shedding, while discussions on the practicality of adopting DLR in the current power system is given in the end.

연구 동기 및 목표

• 변동성이 큰 재생 가능 에너지 자원(RES) 비중이 높은 전력시스템에서 동적 라인 레이팅(DLR)이 송전 혼잡도 및 재생 가능 에너지 통합에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 기상 조건(온도, 바람 속도, 일광 조사량 등)을 기반으로 실시간 선로 용량을 계산하는 기상 기반 DLR 모델을 개발하는 것.
• 2011년 실제 데이터를 활용한 고해상도 실세계 데이터를 기반으로 DLR와 기존의 명목선로 레이팅(NLR)에 대한 디스패치 결과를 시뮬레이션하고 비교하는 것.
• 기존 송전 시스템에 DLR를 구현하는 실용성과 한계를 평가하는 것. 이는 장비 제약 조건과 공간 기반 기상 변동성 포함.
• 확대된 미래의 RES 시나리오 하에서 DLR 적용 시 재생 가능 에너지 제거와 부하 차단 감소를 정량화하는 것.

제안 방법

• 저항 열손실, 태양 복사 가열, 대류 냉각, 복사 냉각을 고려한 도체 열평형 방정식을 기반으로 DLR 모델을 개발하였다.
• 도체 온도 측정에 의존하기보다는 실외 기상 데이터(기온, 바람 속도, 바람 방향, 일광 조사량)를 사용하여 선로 레이팅을 계산하였다.
• 지역 기온 기록과 재생 가능 에너지 공급 데이터를 복원하여 시간에 따른 일관된 DLR 추정을 가능하게 하였다.
• 부하 차단 및 발전 제거를 처벌하는 목적함수를 갖는 DC 최적화 전력 흐름(DC OPF) 디스패치 모델을 적용하여 DLR 및 NLR 하에서의 경제적 디스패치를 시뮬레이션하였다.
• 실제 2011년 풍력 및 PV 공급 데이터를 사용하고 미래 시나리오를 반영하기 위해 확대된 RES 프로파일을 적용한 6bus 기준 전력 시스템을 모의하였다.
• 시간적 연속성 시리즈를 활용하여 브레멘–프랑크푸르트–슈투트가르트 구간의 선로 적재율과 혼잡도를 DLR 및 NLR 레이팅을 비교하여 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고-RES 전력 시스템에서 NLR 대비 DLR이 풍력 발전 제거와 부하 차단을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ2 기상 조건의 변동성(예: 바람 속도, 일광 조사량)이 overhead 송전선의 동적 레이팅에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 간단한 노드 기반 모델을 사용할 경우 송전선을 따라 발생하는 공간 기반 기상 변동성이 DLR 추정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고조도의 재생 가능 에너지 발전 하에서 DLR가 혼잡한 송전 코너의 전체 송전 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 장비 정격 및 측정 불확실성 등을 포함하여 실세계 전력 시스템에 DLR를 구현하는 데 있어 실용적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 확대된 미래의 RES 시나리오 하에서 브레멘–프랑크푸르트–슈투트가르트 송전 구간에서 DLR은 연간 약 800 GWh의 풍력 제거를 감소시킨다.
• 프랑크푸르트 및 슈투트가르트 지역에서 DLR를 사용할 경우 NLR 대비 부하 차단이 거의 반으로 줄어들며, 특히 고풍속 겨울 기간에 두드러진다.
• 고속 바람(예: 6 m/s) 조건에서 DLR 모델은 송전 용량을 최대 200%까지 증가시켜 혼잡한 구간의 전력 전송 능력을 크게 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과 DLR는 북-남 송전 경로의 혼잡을 효과적으로 완화하여 북부 독일에서 남부 독일로의 풍력 전력 이행을 더 효율적으로 가능하게 한다.
• 비록 이점이 있지만 DLR의 효과성은 공간 기반 기상 변동성과 최악의 시나리오 및 장비 열적 한계를 고려한 레이팅 제한으로 인해 제한된다.
• 연구는 DLR가 특히 송전 제약이 있는 네트워크에서 변동성이 큰 RES를 통합하기 위해 새로운 송전선을 건설하는 것보다 비용 효율적인 대안임을 결론 내린다.