[논문 리뷰] Intelligent Home Energy Management System for Distributed Renewable Generators, Dispatchable Residential Loads and Distributed Energy Storage Devices

Adetokunbo Ajao, Jingwei Luo외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 13.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 혼합정수선형계획법(MILP)을 사용하여 온저드 태양광 등 분산형 재생 가능 에너지 발전기, 조절 가능한 주거용 부하(예: 세탁기, 건조기), 에너지 저장장치(예: 전기차) 간의 조율을 최적화하는 스마트 홈 에너지 관리 시스템을 제안한다. 이 시스템은 사용자 편안함을 유지하면서 주거용 에너지 비용과 온실가스 배출량을 감소시키며, 시뮬레이션을 통해 뚜렷한 경제적·환경적 이점을 입증한다.

ABSTRACT

This paper presents an intelligent home energy management system integrated with dispatchable loads (e.g., clothes washers and dryers), distributed renewable generators (e.g., roof-top solar panels), and distributed energy storage devices (e.g., plug-in electric vehicles). The overall goal is to reduce the total operating costs and the carbon emissions for a future residential house, while satisfying the end-users comfort levels. This paper models a wide variety of home appliances and formulates the economic operation problem using mixed integer linear programming. Case studies are performed to validate and demonstrate the effectiveness of the proposed solution algorithm. Simulation results also show the positive impact of dispatchable loads, distributed renewable generators, and distributed energy storage devices on a future residential house.

연구 동기 및 목표

• 분산형 재생 가능 에너지, 조절 가능한 부하, 에너지 저장장치를 통합한 주거용 홈 에너지 관리 시스템 개발.
• 주거용 에너지 시스템의 총 운영 비용과 온실가스 배출량 최소화.
• 동적인 에너지 스케줄링에도 불구하고 최종 사용자 편안함 수준 유지.
• 사례 연구 및 시뮬레이션을 통해 제안된 시스템의 효과성 검증.

제안 방법

• 이중 제어 동작과 연속적인 전력 흐름을 처리하기 위해 에너지 관리 문제를 혼합정수선형계획형식(MILP)으로 수식화.
• 다양한 가정용 가전제품을 각기 다른 운영 제약 조건과 에너지 소비 프로파일로 모델링.
• 시간대별 전기 요금과 재생 가능 에너지 발전 예측 정보를 최적화 프레임워크에 통합.
• 전기차를 양방향 에너지 저장 장치로 통합하여 부하 이동 및 피크 제거에 활용.
• 하루 전 스케줄링 방식을 적용해 조절 가능한 부하의 최적의 케이스/오프 상태 및 전력 수준 결정.
• 24시간 동안 에너지 공급, 수요, 저장을 균형 잡는 결정론적 최적화 모델 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산형 재생 가능 에너지 발전기, 조절 가능한 부하, 에너지 저장 장치를 공동으로 최적화하여 주거용 에너지 비용을 최소화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 조절 가능한 가전제품과 에너지 저장 장치 통합이 주거용 에너지 시스템의 온실가스 배출에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 비용과 배출량 감소를 달성하면서 사용자 편안함을 어느 정도 유지할 수 있는가?
• RQ4 실제 제약 조건 하에서 다양한 에너지 자원을 조율하는 데 있어 제안된 MILP 기반 접근 방식의 효과성은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 시간대별 요금 체계를 활용하고 조절 가능한 부하의 최적 스케줄링을 통해 총 주거용 에너지 운영 비용을 감소시킨다.
• 현장 태양광 발전의 활용 증가와 전략적 에너지 저장 장치의 운용을 통해 온실가스 배출가 상당히 감소한다.
• 전기차를 이동형 저장장치로 통합함으로써 부하 균형 조절이 향상되고 시스템의 유연성이 향상된다.
• 시뮬레이션 결과, 모든 구성 요소의 조율된 제어가 경제적·환경적 성능 향상에 명백한 기여를 한다는 것이 확인되었다.
• 가전제품별 시간 창과 운영 제약 조건을 준수함으로써 사용자 편안함을 유지하는 데 성공했다.