[논문 리뷰] Optimal Sharing and Fair Cost Allocation of Community Energy Storage

Yu Yang, Guoqiang Hu외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 29.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 26인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 핵심 기반 사후 비용 배분을 통해 최적의 커뮤니티 에너지 저장(ES) 공유를 위한 협력 게임 프레임워크를 제안한다. 제약 조건 생성 기법을 활용해 계산 복잡성을 극복함으로써, 특성 함수 평가의 1% 미만으로 근사 최적의 공정성을 달성하며, 개별 ES 모델 대비 1.83배 높은 ES 가치와 건물/커뮤니티 수준의 경제적 이점 향상을 입증한다.

ABSTRACT

This paper studies an energy storage (ES) sharing model which is cooperatively invested by multiple buildings for harnessing on-site renewable utilization and grid price arbitrage. To maximize the economic benefits, we jointly consider the ES sizing, operation, and cost allocation via a coalition game formulation. Particularly, we study a fair ex-post cost allocation based on nucleolus which addresses fairness by minimizing the minimal dissatisfaction of all the players. To overcome the exponential computation burden caused by the implicit characteristic function, we employ a constraint generation technique to gradually approach the unique nucleolus by leveraging the sparse problem structure. We demonstrate both the fairness and computational efficiency of the method through case studies, which are not provided by the existing Shapley approach or proportional method. Particularly, only a small fraction of characteristic function (less than 1% for 20 buildings) is required to achieve the cost allocation versus the exponential information required by Shapley approach. Though there exists a minor increase of computation over the proportional method, the proposed method can ensure fairness while the latter fails in some cases. Further, we demonstrate both the building-wise and community-wise economic benefits are enhanced with the ES sharing model over the individual ES (IES) model. Accordingly, the overall value of ES is considerably improved (about 1.83 times).

연구 동기 및 목표

• 다수의 건물 간 경제적 이익을 극대화하는 공동 에너지 저장(CES)을 위한 협력 비즈니스 모델을 설계하기.
• 공동 ES 시스템에서 에너지 저장 규모, 운영, 비용 배분을 동시에 최적화하기.
• 자기 이기적인 건물 간의 공정한 비용 배분을 확보하기 위해 핵심 개념을 활용하기.
• 대규모 협력 집단에서 핵심 계산의 계산 비가역성 문제를 제약 조건 생성 기법을 통해 해결하기.
• 샤플리와 비례 비용 배분 방법 대비 공정성 및 효율성 측면에서 뛰어난 성능을 입증하기.

제안 방법

• ES 공유 문제를 규모, 운영, 비용 배분을 통합한 협력 게임으로 수식화한다.
• 모든 플레이어 간 최대 불만을 최소화하는 공정성 기준으로 핵심을 사용한다.
• 희소 문제 구조를 활용해 지수적 계산을 피하기 위해 반복적으로 핵심을 근사하는 제약 조건 생성 기법을 적용한다.
• 에너지 및 전력 용량 제약 조건을 포함한 정수선형계획법(MILP)을 통해 최적의 ES 규모 및 운영을 해결한다.
• 모든 협력 집단에 대한 특성 함수를 계산하기 위해 동적 프로그래밍 기법을 구현하며, 겹치지 않는 충전/방전 및 재생 가능 에너지 구매/판매 제약 조건을 포함한다.
• 20개 건물에 대한 사례 연구를 통해 샤플리와 비례 배분 방법과의 성능 비교를 통한 방법의 검증을 수행한다.

Figure 1: The configuration of a community energy storage (CES).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 집단 환경에서 공동 경제적 이익을 극대화하기 위해 에너지 저장는 어떻게 최적의 규모로 설계하고 운영할 수 있는가?
• RQ2 자기 이기적인 건물들이 공동 ES 시스템을 공유할 때 공정한 비용 배분 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 지수적 복잡도가 있는 핵심 계산이 대규모 커뮤니티 에너지 저장 협력 집단에서 효율적으로 계산될 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법은 샤플리와 비례 비용 배분 방법에 비해 공정성 및 계산 효율성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 개별 ES 구현 대비 커뮤니티 수준의 ES 공유가 얼마나 향상된 경제적 결과를 가져오는가?

주요 결과

• 제안된 핵심 기반 비용 배분은 모든 건물 간 최대 불만을 최소화함으로써 공정성을 보장하며, 공정성 지표에서 샤플리 및 비례 방법을 능가한다.
• 핵심을 계산하기 위해 특성 함수 값의 극히 소수의 비율(1% 미만)만 필요로 하여, 샤플리 방법의 지수적 요구 사항에 비해 계산 부담을 크게 감소시킨다.
• 비례 방법과 유사한 계산 효율성을 확보하면서도 공정성을 보장하는 반면, 후자는 특정 경우에 공정성을 확보하지 못한다는 점에서 열등하다.
• 공동 에너지 저장 시스템을 통해 전체 커뮤니티의 경제적 이익이 약 1.83배 증가한다. 이는 활용도 향상과 공동 인프라의 도입 덕분이다.
• 재생 가능 에너지가 여유 있는 건물의 경우, 더 높은 수준의 이익이 추가로 향상되며, 이는 부하 및 발전 프로파일 간 시간적 상쇄 효과의 가치를 반영한다.
• 사례 연구를 통해 규모, 운영, 비용 배분의 통합 최적화가 모든 참여자에게 뛰어난 경제적 결과를 가져오는 것으로 확인되었다.

Figure 2: The building-wise (B1-B10) and community-wise (Com.) cost reduction with the IES and CES model: (a) $N=5$ . (b) $N=10$ (no ES as baseline ).