[논문 리뷰] Non-Wire Alternatives: an Additional Value Stream for Distributed Energy Resources

Jesus E. Contreras-Ocaña, Yize Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 05.

Electric Power System Optimization참고 문헌 45인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 분산 에너지 자원(DERs)의 투자, 운영 및 전통적 용량 확장의 시기 등을 공동으로 최적화하는 프레임워크를 제안하며, 인프라 업그레이드 연기의 가치를 핵심 경제적 동력으로 명시적으로 통합한다. 확장 시기를 결정 변수로 모델링하고, 강건 최적화 및 Dantzig-Wolfe 분해를 사용함으로써 대규모 비볼록 계획 문제를 효율적으로 해결하며, 워싱턴 대학교 캠퍼스에서 DERs가 비용이 많이 드는 업그레이드를 연기할 수 있음을 보여주며 상당한 비용 절감 효과를 입증한다.

ABSTRACT

Distributed energy resources (DERs) can serve as non-wire alternatives (NWAs) to capacity expansion by managing peak load to avoid or delay traditional expansion projects. However, the value stream derived from using DERs as NWAs is usually not explicitly included in DER planning problems. In this paper, we study a planning problem that co-optimizes investment and operation of DERs and the timing of capacity expansion. By including the timing of capacity expansion as a decision variable, we naturally incorporate NWA value stream of DERs into the planning problem. Furthermore, we show that even though the resulting optimization problem could have millions of variables and is non-convex, an optimal solution can be found by solving a series of smaller linear problems. Finally, we present a NWAs planning problem using real data from the Seattle Campus of the University of Washington.

연구 동기 및 목표

• 전통적 용량 확장의 연기 경제적 가치를 명시적으로 포함함으로써 DER 계획 분야의 격차를 해소하기 위해.
• 하중, 태양광 발전 및 에너지 효율성의 불확실성 하에서 DER 투자, 운영 및 용량 확장 시기의 공동 최적화를 위해.
• 확장 시기의 포함으로 인해 발생하는 대규모 비볼록 계획 문제를 해결하기 위한 실용적인 해법 기법을 개발하기 위해.
• 워싱턴 대학교 시애틀 캠퍼스의 실제 데이터를 사용하여 이 프레임워크의 실용적 가치를 입증하기 위해.

제안 방법

• 용량 확장 시기를 결정 변수로 포함하는 장기 계획 문제를 수립하여, 자본의 시간 가치와 연기 혜택을 명시적으로 모델링할 수 있도록 한다.
• 하중, 태양광 발전 및 에너지 효율성 성능의 불확실성을 다루기 위해 강건 최적화를 사용하며, Γ 매개변수를 통해 보호 수준을 제어한다.
• 대규모 문제를 더 작은 부분문제로 분해하기 위해 Dantzig-Wolfe 분해를 적용하며, 비볼록성은 수십에서 수백 개의 변수를 가진 마스터 문제에 국한된다.
• 마스터 문제를 해결하기 위해 가능한 모든 확장 연도를 나열하고, 각각의 작은 스케일 선형 프로그램을 순차적으로 풀어 최적의 연도를 선택한다.
• 열 생성 기법을 활용하여 부분문제가 마스터 문제에 대해 비용 및 하중 제안을 생성하며, 이중 변수를 벌금 가중치로 사용한다.
• 비볼록성을 제거하기 위해 확장 시기를 고정하고, 가능한 모든 연도에 대해 해를 평가하여 최적의 해를 찾는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전통적 용량 확장의 연기 가치가 DER 계획 프레임워크 내에서 효과적으로 포착되고 최적화될 수 있는가?
• RQ2 실제 경제적 및 운영 제약 조건을 반영하기 위해 DER 투자, 운영 및 확장 시기의 공동 최적화는 어떻게 수립할 수 있는가?
• RQ3 장기 계획에서 확장 시기 결정으로 인해 발생하는 대규모성과 비볼록성 문제를 효율적으로 다룰 수 있는 해법 기법은 무엇인가?
• RQ4 DERs가 워싱턴 대학교 캠퍼스에서 비용이 많이 드는 변전소 및 피더 업그레이드를 어느 정도까지 연기할 수 있는가?

주요 결과

• 확장 연기의 포함이 결정 변수로 설정됨으로써 DERs에 대해 상당한 가치 흐름을 포착할 수 있으며, 이는 프로젝트의 타당성을 20%에서 50%까지 증가시킬 수 있다.
• 제안된 Dantzig-Wolfe 분해 기법은 대규모 비볼록 문제를 더 작은 실용적인 선형 프로그램으로 환원하여 효율적인 해법을 가능하게 한다.
• 이 방법은 각각 다른 확장 연도에 해당하는 소규모 선형 부분문제를 몇 개 풀기만 하여 용량 확장의 최적 시기를 성공적으로 식별한다.
• 시애틀 워싱턴 대학교 캠퍼스 사례 연구에서는 DERs가 변전소 및 피더 업그레이드를 연기할 수 있음을 보여주며, 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 해의 강건성이 검증되었다.
• 최적의 해는 강건 최적화를 통해 조정 가능한 보호 수준을 활용하여 불확실성을 관리하면서도 확장 연기를 통해 비용 절감을 달성한다.
• 이 프레임워크는 투자, 운영 및 시기의 공동 최적화가 전통적 계획 접근 방식에 비해 경제적으로 열등한 결과를 낳지 않음을 입증한다.