[논문 리뷰] Network-Constrained Transactive Control for Multi- Microgrids-based Distribution Networks with SOPs

Xiaodong Yang, Zehao Song외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 06.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 32인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전력 흐름 조절을 위한 소프트 오픈 포인트(SOP) 기반 기술과 전자 에너지 시장을 통합하여 다중 마이크로그리드 배전망의 경제성과 시스템 안정성을 동시에 최적화하는 네트워크 제약이 있는 트랜잭티브 제어(NTC) 프레임워크를 제안한다. 이 방법은 동적 이중 시간스케일 모델을 사용하며, KKT 조건과 완화 기법을 통해 이중 최적화 게임을 단일 수준의 정수 2차원 원형 프로그래밍(MISOCP)으로 재구성함으로써 계산 효율성을 크게 향상시키고, 다양한 예측 오차 하에서 불확실성을 효과적으로 완화하며 전압 프로파일 향상과 비용 절감을 달성한다.

ABSTRACT

Different from most transactive control studies only focusing on economic aspect, this paper develops a novel network-constrained transactive control (NTC) framework that can address both economic and secure issues for a multi-microgrids-based distribution network considering uncertainties. In particular, we innovatively integrate a transactive energy market with the novel power-electronics device (i.e., soft open point) based AC power flow regulation technique to improve economic benefits for individual microgrids and meanwhile ensure the security of the entire distribution network. In this framework, a dynamic two-timescale NTC model consisting of slow-timescale pre-scheduling and real-time scheduling stages is formulated to work against multiple system uncertainties. Moreover, the original bilevel game problems are transformed into single-level mixed-integer second-order cone programming problems through KKT conditions, duality, linearization and relaxation techniques to avoid iterations of transitional methods, so as to improve computational efficiency. Finally, numerical simulations on a modified 33-bus test system with 3 MGs verify the effectiveness of the proposed framework.

연구 동기 및 목표

• 기존 트랜잭티브 제어 연구가 경제성만을 중시하고 네트워크 제약과 시스템 안정성은 간과하는 데서 발생하는 격차를 해결하기 위해.
• 가격 신호를 통해 배전망 운영자(DNO)와 마이크로그리드(MG)를 통합적으로 조율하면서도 전압 및 선로 흐름 안정성을 보장하는 통합적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 고율의 재생 가능 에너지 통합이 이루어진 배전망에서 주로력 흐름 조절을 위한 제어 수단으로 소프트 오픈 포인트(SOP)를 통합하기 위해.
• 재생 가능 에너지 발전 및 부하 수요의 불확실성을 다룰 수 있는 이중 시간스케일 트랜잭티브 제어 모델을 제작하기 위해.
• KKT 조건과 완화 기법을 활용해 복잡한 이중 최적화 게임 문제를 단일 수준의 정수 2차원 원형 프로그래밍(MISOCP)으로 변환함으로써 계산 효율성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 시스템의 불확실성을 관리하기 위해 느린 시간스케일 사전 스케줄링과 실시간 스케줄링을 포함한 동적 이중 시간스케일 NTC 모델을 개발한다.
• 경제적 목표와 기술적 목표를 균형 있게 조정하기 위해 전자 에너지 시장과 SOP 기반 주력 흐름 제어를 통합한다.
• 이중 최적화 문제를 단일 수준의 정수 2차원 원형 프로그래밍(MISOCP)으로 변환하기 위해 KKT 조건, 이중성 이론 및 완화 기법을 적용한다.
• SOP을 탄력적이고 제어 가능한 파wr 전자 장치로 활용하여 불확실한 조건 하에서도 전압 안정성을 유지하고 전력 흐름을 재구성한다.
• 실제 배전망의 동적 특성을 시뮬레이션하고 프레임워크의 타당성을 검증하기 위해 마이크로그리드 3개를 포함한 수정된 IEEE 33-bus 테스트 시스템을 활용한다.
• 재생 가능 에너지 및 부하 예측 오차를 다루기 위해 강건 최적화 기법을 구현하여 시스템의 내재성 확보를 위해 노력한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 마이크로그리드 배전망에서 경제성과 안정성 제약을 동시에 고려한 트랜잭티브 제어는 어떻게 확장될 수 있는가?
• RQ2 SOP 기반 전력 흐름 조절이 네트워크 제약 환경에서 전압 프로파일과 시스템 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 재생 가능 에너지 발전 및 부하에 대한 예측 불확실성 수준이 변화할 경우, 제안된 이중 시간스케일 NTC 모델의 성능은 어떻게 되는가?
• RQ4 이중 최적화 게임 문제를 단일 수준의 MISOCP로 재구성함으로써 KKT 조건과 완화 기법을 적용한 방법이 반복적 해법 대비 계산 효율성에서 얼마나 향상되는가?
• RQ5 고정가격 또는 경제 중심의 제어 전략에 비해 전자 에너지 시장과 SOP 제어를 통합한 전략은 비용, 손실 및 전압 위반 측면에서 어떤가?

주요 결과

• 제안된 NTC 방법은 SOP가 없는 경우와 비교해 전압 편차를 64.33% 감소시키고 선로 손실을 152.49% 감소시켜, SOP가 시스템 안정성 향상에 핵심적인 역할을 한다는 것을 입증한다.
• 경제 중심의 트랜잭티브 제어(Case I)에 비해 제안된 방법은 약간의 경제 비용의 상당한 희생을 감수하더라도 전압 위반을 줄이고 전압 프로파일을 개선했다.
• 이중 시간스케일 NTC 모델은 예측 오차의 영향을 효과적으로 완화하며, 높은 불확실성 수준(예: 0.25/0.2/0.15)에서도 성능 저하가 제한적으로 유지된다.
• KKT 조건과 완화 기법을 활용한 이중 최적화 게임 문제의 단일 수준 MISOCP로의 재구성은 반복적 해법을 피함으로써 계산 효율성을 크게 향상시킨다.
• Case IV(제안된 NTC)는 모든 비교 사례 중에서 전체 운영 비용이 가장 낮고 전압 조절 성능이 가장 뛰어나, 비계획적 및 단일 레이어 모델을 포함한 모든 사례에서 최우수한 성능을 보였다.
• 전자 에너지 가격 메커니즘과 SOP 제어의 통합은 고정가격 또는 경사형 시장 메커니즘에 비해 DNO와 MG 간의 혜택 분배를 더 효과적으로 이끌어냈다.