[논문 리뷰] Non-Wire Alternatives to Capacity Expansion

Jesus E. Contreras-Ocaña, Uzma Siddiqi외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 03.

Smart Grid Energy Management인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 태양광 PV, 에너지 효율, 수요 반응, 에너지 저장 장치를 포함한 분산 에너지 자원(DERs)의 투자 및 운영을 동시에 최적화하는 대규모 비볼록 최적화 프레임워크를 제안한다. 이는 전통적인 용량 확장 대신 비와이어 대안(non-wire alternatives)으로서의 활용을 목적으로 한다. 스케일과 비볼록성을 다루기 위해 Dantzig-Wolfe 분해를 적용하여 변전소 업그레이드의 최적 시기를 규명하고, 워싱턴 대학교 캠퍼스에서 DERs가 용량 확장을 최대 5년간 연기할 수 있음을 보여준다. 현재의 비용 가정 하에 에너지 저장은 경제적으로 타당하지 않다.

ABSTRACT

Distributed energy resources (DERs) can serve as non-wire alternatives to capacity expansion by managing peak load to avoid or defer traditional expansion projects. In this paper, we study a planning problem that co-optimizes DERs investment and operation (e.g., energy efficiency, energy storage, demand response, solar photovoltaic) and the timing of capacity expansion. We formulate the problem as a large scale (in the order of millions of variables because we model the operation of DERs over a period of decades) non-convex optimization problem. Despite its non-convexities, we find its optimal solution by decomposing it using the Dantzig-Wolfe Decomposition Algorithm and solving a series of small linear problems. Finally, we present a real planning problem at the University of Washington Seattle Campus.

연구 동기 및 목표

• 분산 에너지 자원(DERs)을 비와이어 대안(NWAs)으로 활용하여 고비용의 용량 확장을 연기하는 데 있어 경제적 및 운영적 과제를 해결하기 위한 것이다.
• 에너지 효율, 태양광 PV, 수요 반응, 에너지 저장을 포함한 다양한 DERs의 투자, 운영 및 용량 확장 시점의 공동 최적화를 다각도로 계획 기간 동안 수행하기 위한 것이다.
• 시간적 가치의 효과와 이산적 용량 확장 시점이 포함된 대규모 비볼록 최적화 문제를 해결하기 위한 확장 가능한 해법 기법을 개발하기 위한 것이다.
• 워싱턴 대학교 시애틀 캠퍼스에서 실재 사례 연구를 통해 NWAs의 실현 가능성과 경제적 영향을 평가하기 위한 것이다. 이곳에는 향후 17MW의 새로운 부하가 예상된다.

제안 방법

• 20년 계획 기간 동안 DER 운영을 모델링하는 수백만 개의 변수를 포함한 대규모 비볼록 정수형 최적화 문제로 계획 문제를 수립한다.
• 문제를 더 작은 하위문제로 분해하기 위해 Dantzig-Wolfe 분해(DWD)를 적용하여 비볼록성을 마스터 문제에 집중시킨다.
• 용량 확장의 시점에 기인한 비볼록성을 다루기 위해 마스터 문제를 소수의 선형 프로그램으로 추가 분해한다.
• 미래의 용량 확장 비용에 할인 요소를 적용하여 시간적 가치를 모델링하고, 이를 통해 비선형성을 도입하며, 분해 기법을 통해 이를 관리한다.
• 에너지 효율(EE), 태양광(PV), 수요 반응(DR), 에너지 저장(ES)의 네 가지 특정 DER 유형을 포함하는 일반적인 NWA 모델을 사용하며, 각각 고유한 비용 및 운영 특성을 지닌다.
• 시간당 부하의 최대값으로 정점 부하를 모델링하기 위해 반평면 제약 조건을 활용하여 변전소 용량 제한을 정확하게 표현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DER 투자, 운영 및 용량 확장 시점의 공동 최적화 프레임워크가 고비용의 변전소 업그레이드를 효과적으로 연기할 수 있는가?
• RQ2 총 시스템 비용을 최소화하면서 용량 확장을 연기하는 데 최적의 비와이어 대안(EE, PV, DR, ES) 조합은 무엇인가?
• RQ3 태양 복사량 예측, 부하 증가, 에너지 효율 비용의 불확실성이 최적의 NWA 배치 및 확장 시점에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 현재의 비용 가정 하에 에너지 저장은 이 맥락에서 비와이어 대안으로서 경제적으로 타당한가?
• RQ5 시간적 가치가 DER 투자의 경제적 매력도를 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 최적의 해는 태양광 PV, 수요 반응, 에너지 효율 프로젝트의 조합을 통해 약 5년간 변전소 용량 확장을 연기한다.
• 현재의 비용 가정 하에 에너지 저장은 경제적으로 타당하지 않으며, 리튬이온 배터리 비용이 1kWh당 200달러를 초과함에 따라 다른 DERs에 비해 비용 효율성이 열 劣하다.
• NWAs의 구현으로 인해 에너지 비용은 약 6%($3200만) 감소하고, 수요 요금은 약 15%($580만) 감소한다.
• 민감도 분석 결과 태양 복사량 예측, 부하 증가, 에너지 효율 비용 배수는 최적의 NWA 조합과 확장 시점에 크게 영향을 미친다.
• 모델는 시간적 가치의 영향으로 인해 용량 확장을 연기하는 것이 경제적으로 유리하다는 점을 입증한다. 현재 비용은 시간이 지남에 따라 감소한다.
• Dantzig-Wolfe 분해 접근법은 대규모 비볼록 문제를 소수의 해석 가능한 선형 프로그램으로 환원함으로써 효과적으로 문제를 다루었다.