[논문 리뷰] Impacts and Benefits of UPFC to Wind Power Integration in Unit Commitment

Jia Li, Feng Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 29.

Electric Power System Optimization참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 불확실성 하에서 풍력 발전 통합을 촉진하고 전송 유연성을 향상시키기 위해 통합 전력 흐름 제어기(UPFC)를 통합한 종합적인 단위 지정 모델을 제안한다. 혼합정수비선형비볼록 최적화 문제를 수립하고 타당성을 확보하기 위해 근사 모델을 사용함으로써, 연구는 UPFC가 시스템의 신뢰성, 안정성 및 경제성에 크게 기여함을 입증한다. 테스트된 시나리오에서 UPFC는 풍력 폐기량을 최대 40% 감소시키고, 부하 차단량을 50% 이상 감소시킨다.

ABSTRACT

Unified Power Flow Controller (UPFC) is recognized as the most powerful flexible AC transmission systems (FACTS) device for power system operation. This paper addresses how UPFC explores the transmission flexibility and facilitates the integration of uncertain and volatile wind power generation. To this end, a comprehensive unit commitment (UC) model with UPFC and uncertain wind power generation is proposed. Then, some metrics are introduced to evaluate the impacts of UPFC on the reliability, security and economy of power system operation. Further, different dispatch strategies of UPFC are compared to provide helpful guidances on making full use of UPFC to hedge against uncertainties. In addition, facing the challenging mixed-integer non-linear non-convex problems, approximate models are proposed to provide a starting point to solve the problems efficiently. All these models are easy to adapt to other types of FACTS devices. Illustrative numerical results are provided.

연구 동기 및 목표

• 전력 시스템에 불확실하고 변동성이 큰 풍력 발전을 통합하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• UPFC가 전송 유연성을 어떻게 향상시키고 안정적이고 경제적이며 신뢰할 수 있는 운영을 지원하는지 평가하기 위해.
• UPFC 제어와 풍력 발전의 불확실성을 포함하는 확장 가능한 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.
• 최적의 유연성 활용을 위해 다양한 UPFC 운용 전략을 비교하기 위해.

제안 방법

• UPFC의 유공 및 무공 전력 주입, 전압 제어 및 선로 흐름 제약 조건을 포함하기 위해 혼합정수비선형비볼록 단위 지정 모델을 수립한다.
• 풍력 발전의 불확실성을 표현하기 위해 시나리오 기반 스토케스틱 프로그래밍을 사용하며, 중요도 표본 추출을 통해 감소된 시나리오를 도출한다.
• 비볼록 AC 전력 흐름 제약 조건을 선형화하기 위해 근사 모델을 도입하여 표준 솔버를 통해 효율적인 해를 도출할 수 있도록 한다.
• UPFC 제어 변수로는 직렬 및 시리즈 무공 전력 주입을 포함하며, 유공 전력 흐름 제한 및 전압 크기 제약 조건을 시행한다.
• 시스템 안정성을 확보하기 위해 스피닝 예비력 요구 조건, 램프 제한, 부하 차단/풍력 폐기량 비용을 모델에 통합한다.
• 제어 변수와 제약 조건를 조정함으로써 이 모델은 다른 FACTS 장치에도 일반화 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불확실한 풍력 발전 발생 상황에서 UPFC는 전송 유연성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 다양한 UPFC 운용 전략은 시스템의 신뢰성, 안정성 및 경제적 성과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 불확실성 하에서 단위 지정 과정에서 UPFC를 최적화하여 풍력 폐기량과 부하 차단량을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 근사 모델은 복잡한 혼합정수비선형비볼록 문제를 효율적으로 해결하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 제안된 모델은 최소한의 수정으로 다른 FACTS 장치로 확장 가능한가?

주요 결과

• UPFC는 FACTS 장치가 없는 시스템 대비 풍력 폐기량을 최대 40% 감소시켜 재생 가능 에너지 통합을 크게 향상시킨다.
• UPFC가 단위 지정 과정에서 최적화되어 운용될 경우, 고수준의 풍력 불확실성 시나리오에서 부하 차단량이 50% 이상 감소한다.
• 근사 모델의 사용은 합리적인 계산 시간 내에 근사 최적 해에 수렴할 수 있게 하여 실용성을 입증한다.
• 특히 직렬 및 시리즈 제어를 통합한 최적의 UPFC 운용 전략이 가장 높은 시스템 경제적 이익과 신뢰성 향상을 이룬다.
• 제안된 모델는 확장 가능하고 적응 가능성을 보이며, TCSC나 PST와 같은 다른 FACTS 장치로의 확장 가능성도 명확히 드러난다.
• 수치 결과는 UPFC가 제공하는 전송 유연성이 고비용의 스피닝 예비력과 발전 측 유연성의 필요성을 줄임을 확인한다.