[논문 리뷰] Multi-scale Transactive Control In Interconnected Bulk Power Systems Under High Renewable Energy Supply and High Demand Response Scenarios

David P. Chassin|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 22.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 126인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고율의 재생 가능 에너지와 수요 반응이 통합된 상호연결된 송전계통에서, 실시간 시장 신호와 자율적 반응을 활용하여 지역, 피더, 장치 수준에서 계층적 제어를 통합하는 다중 척도 전자거래 제어 프레임워크를 제안한다. 주요 기여는 고변동성 및 사고 조건 하에서도 시스템 안정성을 유지하면서도 협동적인 에너지 및 보조 서비스 배치를 가능하게 하는 공동 최적화된 동적 제어 아키텍처를 제공한다는 것이다.

ABSTRACT

This thesis presents the design, analysis, and validation of a hierarchical transactive control system that engages demand response resources to enhance the integration of renewable electricity generation resources. This control system joins energy, capacity and regulation markets together in a unified homeostatic and economically efficient electricity operation that increases total surplus while improving reliability and decreasing carbon emissions from fossil-based generation resources. The work encompasses: (1) the derivation of a short-term demand response model suitable for transactive control systems and its validation with field demonstration data; (2) an aggregate load model that enables effective control of large populations of thermal loads using a new type of thermostat (discrete time with zero deadband); (3) a methodology for optimally controlling response to frequency deviations while tracking schedule area exports in areas that have high penetration of both intermittent renewable resources and fast-acting demand response; and (4) the development of a system-wide (continental interconnection) scale strategy for optimal power trajectory and resource dispatch based on a shift from primarily energy cost-based approach to a primarily ramping cost-based one. The results show that multi-layer transactive control systems can be constructed, will enhance renewable resource utilization, and will operate in a coordinated manner with bulk power systems that include both regions with and without organized power markets. Estimates of Western Electric Coordionating Council (WECC) system cost savings under target renewable energy generation levels resulting from the proposed system exceed US$150B annually by the year 2024, when compared to the existing control system.

연구 동기 및 목표

• 상호연결된 송전계통에서 고율의 재생 가능 에너지와 수요 반응 통합에 따른 도전 과제를 해결하면서도 신뢰성과 경제적 효율성을 유지하기 위해.
• 실시간으로 지역, 피더, 장치 수준에서 에너지 및 보조 서비스를 조율할 수 있는 계층적 제어 아키텍처를 개발하기 위해.
• 분산 자원으로부터 자율적이고 신속한 반응을 가능하게 하여, 정상 및 비정상 조건 하에서도 시스템 안정성을 확보하기 위해.
• 다양한 시간 척도에서 실시간 에너지 및 보조 서비스 시장을 공동 최적화하여 스마트 그리드 자산이 다중 수익원에 참여할 수 있도록 하기 위해.
• 시스템 상태에 따라 제어 가중치를 동적으로 조정하여 고변동성 조건 하에서도 주파수 및 전압 안정성을 유지하기 위해.

제안 방법

• 일일 전망 단위 할당과 실시간 경제적 배치를 포함하는 이중 단계 시장 기반 접근 방식을 사용하며, 5~180분 간격으로 실시간 조정을 수행한다.
• 균형 기관 간 발전 및 부하를 균형 잡기 위해 지역 제어를 활용하며, 시장 정산 결과에서 유도된 타이라인 전력 흐름 기준치에 의존한다.
• 피더 수준 제어를 통해 지역 수준의 전력 기준치와 소매 시장 신호를 조율하며, 사고 발생 시에도 시스템 안정성을 우선시한다.
• 현지 전압 및 주파수 신호에 반응하는 자율적 장치 수준 제어기를 구현하며, 시스템 스트레스 상황에서는 현지 제어를 억제하여 진동을 방지한다.
• 실시간 시장 수준에서 동적 가중치 함수를 활용하여 에너지 및 보조 서비스(예: 주파수 조정, 스피닝 예비)의 공동 최적화를 통합한다.
• 전력 불균형 하에서 시스템 관성과 주파수 반응을 모델링하기 위해 진동 방정식과 시스템 주파수 동역학($df/dt = M\Delta P + D\Delta f$)을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고율의 재생 가능 에너지 및 수요 반응 통합을 관리하기 위해 다중 척도(지역, 피더, 장치)에서 전자거래 제어는 어떻게 구성될 수 있는가?
• RQ2 정상 및 사고 조건 하에서도 경제적 효율성을 유지하면서 시스템 안정성을 확보할 수 있는 제어 아키텍처는 무엇인가?
• RQ3 실시간 에너지 및 보조 서비스 시장은 어떻게 공동 최적화되어야 하며, 스마트 그린드 자산이 다중 수익원에 참여할 수 있도록 해야 하는가?
• RQ4 시스템 전반의 안정성을 해치지 않으면서도 분산 자원으로부터 자율적이고 신속한 반응을 가능하게 하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 다양한 시스템 조건 하에서 지역 및 소매 시장에서 유래한 상충되는 전력 기준치를 피더 수준 제어가 어떻게 조율할 수 있는가?

주요 결과

• 다중 척도 전자거래 제어 프레임워크는 실시간 시장 신호와 자율적 반응을 활용하여 지역, 피더, 장치 수준에서 에너지 및 보조 서비스를 성공적으로 조율한다.
• 정상 운영 동안 시스템은 소매 시장 전력 기준치에 더 큰 가중치를 부여하여 경제적 배치를 우선시하지만, 사고 발생 시에는 지역 제어 신호를 우선시하여 안정성을 확보한다.
• 프레임워크는 5분 단위 실시간 주기에서 시장 계약을 공동 최적화함으로써 스마트 그린드 자산이 에너지 및 주파수 조정과 같은 다중 수익원에 참여할 수 있도록 한다.
• 피더 제어기는 필요에 따라 설정값을 동적으로 조정하고 현지 제어 신호를 억제함으로써 지역 제약(예: 혼잡도, 분산형 재생 에너지 변동성)을 효과적으로 관리한다.
• 통신 장애나 사고 조건 하에서도 부하 및 분산 자원의 협동적이고 자율적인 반응을 통해 주파수 및 전압 안정성을 유지한다.
• 제어 시스템에 동적 가중치 함수를 적용함으로써 스트레스 상황에서 순수 경제적 목표에서 시스템 안정성 우선 목표로의 전환을 가능하게 하여 NERC 신뢰성 규정 준수를 보장한다.