[논문 리뷰] Matrix Modeling of Energy Hub with Variable Energy Efficiencies

Wujing Huang, Ning Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 11.

Integrated Energy Systems Optimization참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비선형 변환 및 저장 구성 요소를 등가 선형 구조로 변환하기 위해 조각별 선형화를 사용하여 가변 에너지 효율성을 갖는 에너지 허브를 위한 행렬 기반 모델링 방법을 제안한다. 이 방법은 변수 효율 조건 하에서 다에너지 시스템의 자동화된 컴퓨터 지원 모델링 및 최적화를 가능하게 하여 운영 계획에서 근사 정확도와 계산 효율성을 모두 향상시킨다.

ABSTRACT

The modeling of multi-energy systems (MES) is the basic task of analyzing energy systems integration. The variable energy efficiencies of the energy conversion and storage components in MES introduce nonlinearity to the model and thus complicate the analysis and optimization of MES. In this paper, we propose a standardized matrix modeling approach to automatically model MES with variable energy efficiencies based on the energy hub (EH) modeling framework. We use piecewise linearization to approximate the variable energy efficiencies; as a result, a component with variable efficiency is equivalent to several parallel components with constant efficiencies. The nonlinear energy conversion and storage relationship in EH can thus be further modeled under a linear modeling framework using matrices. Such matrix modeling approach makes the modeling of an arbitrary EH with nonlinear energy components highly automated by computers. The proposed modeling approach can further facilitate the operation and planning optimization of EH with variable efficiencies. Case studies are presented to show how the nonlinear approximation accuracy and calculation efficiency can be balanced using the proposed model in the optimal operation of EH.

연구 동기 및 목표

• 변동하는 에너지 효율성으로 인해 비선형 구성 요소를 포함하는 다에너지 시스템(MES)을 모델링하는 데 도전하는 데 목적을 두며.
• 에너지 허브(EHs)의 분석 및 최적화를 단순화하는 표준화되고 자동화된 모델링 프레임워크를 개발하는 데 목적을 두며.
• 조각별 근사에 의해 비선형 에너지 변환 및 저장 관계를 선형화하는 데 목적을 두며.
• 에너지 허브 운영 및 계획 최적화에서 계산 효율성과 근사 정확도를 향상시키는 데 목적을 두며.

제안 방법

• 논문은 에너지 흐름과 변환을 체계적으로 표현하기 위해 행렬 기반 에너지 허브(EH) 모델링 프레임워크를 사용한다.
• 변환 및 저장 구성 요소의 가변 에너지 효율성은 조각별 선형화를 통해 근사된다.
• 각 가변 효율성을 갖는 구성 요소는 상수 효율성을 갖는 다수의 병렬 구성 요소로 분해된다.
• 결과적으로 얻어진 모델은 원래의 비선형 관계를 선형 행렬 형식으로 변환하여 효율적인 계산을 가능하게 한다.
• 이 방법은 컴퓨터 구현을 통한 자동 모델링을 지원하여 수동 모델링의 복잡성을 감소시킨다.
• 사례 연구를 통해 근사 정확도와 계산 속도 사이의 균형을 확보함으로써 방법의 타당성이 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 변환 및 저장 구성 요소의 가변 효율성을 선형 프레임워크 내에서 효과적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 조각별 선형화는 에너지 허브 내 비선형 효율 곡선을 어느 정도 정확하게 근사할 수 있는가?
• RQ3 제안된 행렬 모델링 방법은 에너지 허브 최적화에서 계산 효율성을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 실제 응용에서 근사 정확도와 계산 비용 사이의 트레이드오프를 어떻게 균형 있게 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 행렬 모델링 방법은 비선형 에너지 허브 구성 요소를 선형 행렬 프레임워크로 성공적으로 변환하여 자동 모델링을 가능하게 하였다.
• 조각별 선형화는 최소한의 계산 오 overhead 를 들여가며 가변 효율 곡선을 정확하게 근사할 수 있었다.
• 사례 연구에서 모델링 정확도와 계산 효율성 사이의 유리한 균형을 달성하였다.
• 이 방법은 가변 효율성을 갖는 에너지 허브의 효율적인 운영 및 계획 최적화를 촉진하였다.
• 사례 연구는 기존의 비선형 방법에 비해 해답 시간을 단축시키면서도 높은 정확도를 유지함을 입증하였다.
• 프레임워크는 다양한 구성의 에너지 허브에 대해 확장 가능하고 복잡한 비선형 구성 요소에 적응 가능하다.