[논문 리뷰] Optimal Power Management for Failure Mode of MVDC Microgrids in All-Electric Ships

Qimin Xu, Bo Yang외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 07.

Maritime Transport Emissions and Efficiency참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고장 상태에서 전체 전기 함정의 중압력 직류(MVDC) 마이크로그리드를 위한 최적의 전력 관리 프레임워크를 제안하며, 시스템 안정성과 운영 비용 최소화를 위해 부하 차단과 네트워크 재구성 기법을 통합한다. 비볼록 제약 조건을 볼록화하고, 저복잡도 변형(Benders 분해법, LNBD)을 사용함으로써 타당성과 수렴성을 확보하여 고故 상황에서 최대 98.7%의 부하 복구율과 15%의 비용 절감을 달성한다.

ABSTRACT

Optimal power management of shipboard power system for failure mode (OPMSF) is a significant and challenging problem considering the safety of system and person. Many existing works focused on the transient-time recovery without consideration of the operating cost and the voyage plan. In this paper, the OPMSF problem is formulated considering the mid-time scheduling and the faults at bus and generator. Two- side adjustment methods including the load shedding and the reconfiguration are coordinated for reducing the fault effects. To address the formulated non-convex problem, the travel equality constraint and fractional energy efficiency operation indicator (EEOI) limitation are transformed into the convex forms. Then, considering the infeasibility scenario affected by faults, a further relaxation is adopted to formulate a new problem with feasibility guaranteed. Furthermore, a sufficient condition is derived to ensure that the new problem has the same optimal solution as the original one. Because of the mixed-integer nonlinear feature, an optimal algorithm based on Benders decomposition (BD) is developed to solve the new one. Due to the slow convergence caused by the time-coupled constraints, a low-complexity near-optimal algorithm based on BD (LNBD) is proposed. The results verify the effectivity of the proposed methods and algorithms.

연구 동기 및 목표

• 고장 발생 후 장기 항해의 안전성과 비용 효율성 확보를 위해 일시적 및 단기 복구 방법만으로는 부족한 중기 스케줄링 과제를 해결한다.
• 발전기 고장, 버스 고장, 부하 차단, 네트워크 재구성 등을 통합한 비볼록 혼합정수비선형계획문제(MINLP)를 수립한다.
• 고장으로 인한 타당성 상실 상황에서도 타당성과 최적성을 확보하기 위해 원래 최적해를 유지할 수 있는 충분조건을 포함한 볼록 완화 기법을 도입한다.
• 시간 연관 제약 조건을 효과적으로 다루고 수렴 속도를 향상시키기 위해 Benders 분해(BD)와 저복잡도 근사 최적 알고리즘(LNBD)을 조합한 효율적인 해법 알고리즘을 개발한다.
• 고장 이후 잔여 항해 동안 에너지 효율성과 시스템 안전성을 유지하면서 운영 비용을 최소화한다.

제안 방법

• 변수 치환 및 근사 기법을 사용하여 분수형 에너지 효율 운영 지표(EEOI)와 이 Equality 제약 조건을 볼록 형태로 변환한다.
• 고장으로 인한 타당성 상실을 다루기 위해 완화 변수 $ D_{ m{d}} $ 를 도입하여 재구성된 문제의 타당성을 보장한다.
• 파라미터 $ h $ 를 포함한 충분조건를 유도하여, 완화된 문제의 최적해가 원래 문제의 최적해와 일치함을 보장한다.
• Benders 분해(BD)를 적용하여 MINLP 문제를 마스터 문제와 보조 문제로 분해하고, 대규모 전력 스케줄링의 반복적 해법을 가능하게 한다.
• 보조 문제 해결을 단순화하고 수렴 속도를 가속화함으로써 계산 부담을 줄이는 저복잡도 근사 최적 알고리즘(LNBD)을 제안한다.
• 비선형 비용 함수(예: 발전기 및 에너지 저장 비용)에 대해 선형 조각 근사 기법을 사용하여 혼합정수계획법을 통해 효율적인 해법을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고장 발생 후 일시적 및 단기 복구를 넘어서 중기 스케일에서 MVDC 마이크로그리드의 최적 전력 관리가 어떻게 효과적으로 확장될 수 있는가?
• RQ2 고장으로 인해 원래 전력 관리 문제에서 타당성이 상실될 경우, 타당성과 최적성을 유지할 수 있는 볼록 완화 전략은 무엇인가?
• RQ3 부하 차단과 네트워크 재구성을 어떻게 통합적으로 조율하여 운영 비용을 최소화하면서도 시스템 안정성과 안전성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 어떤 조건이 완화된 문제의 최적해가 원래 비볼록 문제의 최적해와 동일함을 보장하는가?
• RQ5 Benders 분해는 어떻게 개선되어 대규모 함정 전력 시스템에서 시간 연관 제약 조건을 효율적으로 다룰 수 있는가?

주요 결과

• 유도된 충분조건를 갖춘 제안된 볼록 완화 기법은 타당해가 존재하는 한 원래 비볼록 문제의 최적해와 동일한 최적해를 유지함을 보장한다.
• LNBD 알고리즘은 표준 Benders 분해 대비 약 15% 이내의 시간으로 수렴을 달성하여 계산 효율성이 크게 향상된다.
• 2개 고장 및 3개 고장 시나리오에서 본 방법은 원래 부하 용량의 최대 98.7%를 복구하며, 기존의 일시적 복구 방법을 뛰어넘는 성능을 보인다.
• 중기 스케줄링과 비용 최적화를 고려하지 않는 기준 방법 대비 약 15%의 운영 비용 절감 효과를 달성한다.
• 협동된 발전기 스케줄링과 에너지 저장 관리 덕분에 에너지 효율 운영 지표(EEOI)가 평균 12% 향상된다.
• 모든 시험 고장 시나리오(동시 버스 고장 및 발전기 고장 포함)에서도 본 방법은 시스템 안정성을 유지하고 항해를 성공적으로 완료한다.