[논문 리뷰] Model-free Load Control for High Penetration of Solar Photovoltaic Generation

Ouassim Bara, Mohammad Olama외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 08.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 34인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 정확한 건물 모델이 필요 없이 실시간으로 태양광 발전을 지역적으로 소비할 수 있도록 하는 모델리스 제어(MFC) 프레임워크를 제안한다. 이는 전력망 영향을 최소화하면서 실내 온도를 ±1°C 이내의 편안함 범위로 유지한다. 데이터 기반의 지능형 비례 제어기를 사용하여 PV 발전 프로파일을 추적하고, 전압 변동과 이중 방향 전력 흐름을 줄이며, 추적 오차가 1kW 미만이 된다.

ABSTRACT

This paper presents a new model-free control (MFC) mechanism that enables the local distribution level circuit consumption of the photovoltaic (PV) generation by local building loads, in particular, distributed heating, ventilation and air conditioning (HVAC) units. The local consumption of PV generation will help minimize the impact of PV generation on the distribution grid, reduce the required battery storage capacity for PV penetration, and increase solar PV generation penetration levels. The proposed MFC approach with its corresponding intelligent controllers does not require any precise model for buildings, where a reliable modeling is a demanding task. Even when assuming the availability of a good model, the various building architectures would compromise the performance objectives of any model-based control strategy. The objective is to consume most of the PV generation locally while maintaining occupants comfort and physical constraints of HVAC units. That is, by enabling proper scheduling of responsive loads temporally and spatially to minimize the difference between demand and PV production, it would be possible to reduce voltage variations and two-way power flow. Computer simulations show promising results where a significant proportion of the PV generation can be consumed by building HVAC units with the help of intelligent control.

연구 동기 및 목표

• 고밀도 태양광 PV가 분포 전력망에 미치는 영향을 최소화하기 위해 지역적으로 PV 발전을 소비할 수 있도록 하는 것.
• 변동성이 큰 태양광 발전과 동적인 건물 조건에도 불구하고 실내 온도를 ±1°C 이내의 편안함 범위로 유지하는 것.
• 실시간 제어에서 복잡하고 정밀한 건물 모델이나 계산 비용이 큰 최적화가 필요 없도록 하는 것.
• HVAC 부하 스케줄링을 실시간 PV 출력과 동기화시켜 전압 변동과 역방향 전력 흐름을 줄이는 것.
• 주거 및 상업용 건물에 널리 배포 가능한 확장성 있고 견고하며 저비용의 제어 솔루션을 제시하는 것.

제안 방법

• 이 방법은 초국소 모델 기반의 모델리스 제어(MFC) 프레임워크를 사용하며, 물리 법칙이나 미분 방정식을 무시하고 오직 입력 및 출력 데이터만을 사용한다.
• 지능형 비례 제어기가 실제 PV 발전량과 현재 부하 수요 간의 차이에 기반해 실시간으로 HVAC 단위의 전력 소비를 조정하도록 설계된다.
• 제어 전략은 총 HVAC 에너지 소비가 허용 오차 범위(ε = 1kW) 내에서 PV 발전 프로파일을 따라야 한다는 제약 조건을 강제한다.
• 최적화를 피하기 위해 측정 가능한 신호들(예: PV 출력 및 실내 온도)만을 사용하여 부하 수요를 직접 PV 공급에 맞추어 형상화한다.
• 안정성과 외란(기상 변화 및 점유자 수 변화 등)에 대한 강건성을 보장하는 데이터 기반 공식화로부터 제어 법칙을 유도한다.
• 시스템은 확장 가능하다: 더 많은 건물을 추가해도 계산 복잡도나 제어 아키텍처의 변경 없이 성능 향상이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HVAC 시스템을 모델리스 방식으로 제어하여 태양광 PV 발전을 지역적으로 소비하고 전력망 영향을 최소화할 수 있는가?
• RQ2 실시간으로 변동성이 큰 PV 출력과 동기화하면서도 열적 편안함을 유지할 수 있는가?
• RQ3 모델리스 제어가 고밀도 PV 통합 분포 전력망에서 전압 변동과 역방향 전력 흐름을 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ4 복잡한 최적화나 정밀한 건물 모델에 의존하지 않고도 정확한 PV 프로파일 추적을 달성할 수 있는가?
• RQ5 건물 수 증가가 추적 정확도 및 열적 편안함 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델리스 제어 방법은 최대 추적 오차가 1kW 미만이 되도록 PV 발전 프로파일을 성공적으로 추적하여 공급과 수요 간 불일치를 크게 줄였다.
• 모든 13개 건물의 실내 온도는 ±1°C 편안함 범위 내를 유지했으며, 낮은 초기 온도로 인한 미미한 위반 사례가 일부 발생했다.
• 건물 수를 하나 더 늘린 경우(N_b = 14), 온도 조절 성능이 향상되었고 개별 HVAC 단위의 부담이 감소하여 확장성과 성능 향상을 입증했다.
• 기상 변화 및 점유자 수 변화와 같은 외란 상황에서도 정밀한 건물 모델이 없이도 견고한 성능을 유지했다.
• 제어 프레임워크는 계산 효율적이며 확장 가능하며, 건물 수를 13개에서 14개로 늘여도 계산 부담이 증가하지 않았다.
• 반응형 HVAC 부하를 통해 지역적 PV 소비를 가능하게 하여 이중 방향 전력 흐름과 전압 변동을 효과적으로 줄였다.