[논문 리뷰] Optimal Operation of PV-Diesel MicroGrid with Multiple Diesel Generators under Grid Blackouts

Mansour Alramlawi, Ayeni Femi Timothy외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 26.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전력망 정전 중에 여러 디젤 발전기를 갖춘 배터리 없는 PV-디젤 마이크로그리드의 최적 운영을 위한 혼합정수비선형계획법(MINLP) 모델을 제안한다. 이는 에너지 비용과 PV 폐기량을 최소화한다. 이 전략은 크기가 다른 여러 디젤 발전기를 동적으로 스케줄링하여 연료 소비를 줄이고 PV 활용도를 높이며, 단일 디젤 시스템 대비 43.97%의 비용 절감과 PV-플러스-단일 디젤 구성 대비 29.64%의 절감을 달성한다.

ABSTRACT

This paper addresses the optimal operation problem of a PV-diesel microgrid considering grid blackouts, which is a usual case of discontinuous power supply in developing countries. The model of a grid-connected PV-diesel microgrid is enhanced, and new practical constraints are added. In addition, a new mixed-integer nonlinear programming (MINLP) problem is formulated to optimize the power flow in the microgrid for covering the load while minimizing the power consumption cost as well as maximizing the dispatched power from the PV-array. To demonstrate the applicability of the developed model and the optimal operation strategy, a comparison between different system configurations is made. The results show that the proposed microgrid can reduce the dispatched power cost while decreasing the power curtailment from the PV-array. Moreover, installing multiple diesel generators (DGs) can significantly reduce the fuel consumption by the

연구 동기 및 목표

• 전력망 정전 상황에서 다중 디젤 발전기를 갖춘 PV-디젤 마이크로그리드의 최적화 부족 문제를 해결하기 위해.
• 신뢰할 수 없는 전력망 공급이 있는 개발도상국을 위한 비용 효율적이고 배터리가 없는 마이크로그리드 솔루션을 개발하기 위해.
• 총 에너지 배분 비용을 최소화하면서 PV 전력 활용도를 극대화하고 디젤 연료 소비를 줄이기 위해.
• 최소 디젤 발전기 출력 및 인verter의 전력 공급 제한 등의 실용적 제약 조건을 통합하기 위해.

제안 방법

• 전력망에 연결된 PV-디젤 마이크로그리드의 전력 흐름 최적화를 위한 혼합정수비선형계획법(MINLP) 문제를 수립하였다.
• PV 출력을 정확히 추정하기 위해 직사광선, 산산광, 반사광을 포함한 3요소 태양 복사량 모델을 통합하였다.
• 온도 및 복사량에 따라 변하는 단일 다이오드 PV 세포 모델을 사용하여 실시간 최대 출력을 계산하였다.
• 기술적 제약 조건을 통합: 최소 디젤 발전기 출력, 인버터 전력 공급 능력, 부하 전력 균형.
• 부하 및 PV 가용성에 따라 최적의 다수 디젤 발전기 조합을 선택하는 동적 배분 전략을 구현하였다.
• 전력망 공급 인버터 제약 조건을 강제 적용하여 전압 및 주파수 안정성을 확보하였으며, 전력망 형성 소스 없이 고립 운전을 방지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정전 기간 동안 다중 디젤 발전기의 사용이 PV-디젤 마이크로그리드의 연료 소비와 에너지 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 최적의 배분 전략이 PV 전력 활용도와 폐기량 감소에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 제안된 MINLP 모델이 단일 디젤 또는 기존 시스템 대비 비용 효율성을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 마이크로그리드는 그리드 및 디젤 에너지 배분을 최소화하면서 얼마나 오랫동안 부하 공급을 유지할 수 있는가?
• RQ5 기술적 제약, 특히 인버터 전력 공급 제한이 시스템 운영에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 3개의 디젤 발전기(200, 150, 150 kVA)를 갖춘 케이스 3은 단일 500 kVA 디젤 발전기(케이스 1) 대비 총 연간 에너지 비용을 43.97% 절감하였다.
• 총 연간 비용은 케이스 1의 862.25만 달러에서 케이스 3의 483.08만 달러로 감소하여 43.97% 절감되었다.
• 디젤 발전기의 연간 에너지 배분량은 케이스 1의 1176.9 MWh에서 케이스 3의 770.59 MWh로 감소하여 34.5% 감소하였다.
• 다중 발전기를 갖춘 PV-디젤 시스템은 배분된 PV 전력량을 케이스 2의 766.18 MWh에서 케이스 3의 915.60 MWh로 증가시켜 폐기량을 감소시켰다.
• 그리드 에너지 배분은 케이스 2와 케이스 3 모두에서 667.32 MWh로 감소하여, PV와 디젤의 협동 작동이 그리드 의존도를 효과적으로 대체했음을 시사한다.
• 최적의 배분 전략은 정전 기간 동안 최소 출력 제약 조건을 충족하면서도 최소한 하나의 디젤 발전기가 계속 가동되도록 하여 연료 소비를 최소화하였다.