[논문 리뷰] PV Integration in Low-Voltage Feeders with Demand Response

Xiangkun Li, Theodor Borsche외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 07.

Photovoltaic System Optimization Techniques참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 저압(LV) 배전 피더에서 태양광(PV) 수용 능력을 향상시키기 위해 전기식 온수기(EWH)를 활용한 수요반응(DR) 제어 전략을 제안한다. 변전소에서 실시간 전력 측정값만을 활용하고 모델 예측 제어(MPC)를 통해 EWH의 스케줄링을 최적화함으로써, 전압 위반과 PV 절단을 감소시켜 평균 일일 부하 작동 수가 두 번 이하일 정도로 낮은 수준에서 50% 이상의 PV 수용 능력 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Increased distributed Photo-Voltaic (PV) generation leads to an increase in voltages and unwarranted backflows into the grid. This paper investigates Demand Response (DR) with Electric Water Heaters (EWHs) as a way to increase the PV hosting capacity of a low-voltage feeder. A control strategy relying only on power measurements at the transformer is proposed. Flexible loads are optimally dispatched considering energy acquisition costs, a PV shedding penalty, and power and energy constraints. Furthermore, grouping of loads and PV plants is investigated, and switching penalties are used to reduce the unnecessary switching of loads. It is shown that this strategy can substantially increase the PV hosting capacity of a Low-Voltage (LV) feeder, even when only basic controllability is available.

연구 동기 및 목표

• 저압 배전망에서 높은 PV 투입으로 인한 전압 상승 및 역방향 부하 흐름 문제를 해결하기 위해.
• 모든 노드에서 고급 미터링이나 실시간 통신이 필요로 하지 않는 제어 가능 부하(예: EWH)를 통한 수요반응이 PV 수용 능력을 어떻게 증가시킬 수 있는지 조사하기 위해.
• 실제 제약 조건인 집단적 부하 제어 및 예측 불확실성 하에서 제어 세밀도, 전환 빈도 및 PV 절단 간의 상충 관계를 평가하기 위해.
• 유연한 부하의 최적 배치를 위해 변전소 수준의 전력 측정값과 AMI 데이터만을 사용하는 것이 가능한지 평가하기 위해.
• 제한된 제어 가능성과 전환 보상이 여전히 PV 통합에 있어 상당한 향상을 이끌 수 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• 저압 변압기에서의 실시간 전력 흐름 측정값을 기반으로 EWH 충전 스케줄링을 최적화하기 위해 모델 예측 제어(MPC) 프레임워크를 사용한다.
• 최적화는 에너지 확보 비용, PV 절단 보상, 활동 및 무효 전력 제한, EWH의 에너지 용량 제약 조건을 고려하여 수행된다.
• 기존 제어 시스템(예: 리플리 컨트롤)의 실제 제약 조건을 반영하기 위해 부하 및 PV 단위를 클러스터로 묶는다.
• 제어 복잡도를 줄이고 고객 수용도를 향상시키기 위해 비용 함수에 전환 보상 항목을 도입하여 부하 상태 전환 횟수를 제한한다.
• 스위스 가정의 실측 및 예측 PV 발전 및 부하 데이터를 사용하며, 불확실성은 수축 수평 제어 및 확률 모델링을 통해 다룬다.
• 실제 PV 및 부하 프로파일을 사용하여 400V 저압 배전망(2개 피더, 20개 노드)에서 제어 전략을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 변전소 수준의 전력 측정값만을 사용할 때 EWH를 활용한 수요반응이 저압 배전 피더의 PV 수용 능력을 상당히 증가시킬 수 있는가?
• RQ2 탄력적 부하의 군집화가 DR 전략의 성능 및 필요 전환 빈도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전환 보상 항목이 불필요한 부하 전환을 얼마나 줄일 수 있으며, 이는 높은 PV 수용 능력을 유지하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 예측 불확실성이 제어 전략의 성능에 어떤 영향을 미치며, 이를 효과적으로 다루기 위한 제어 기법은 무엇인가?
• RQ5 실제 시스템 제약 조건 하에서 PV 절단, 에너지 비용, 부하 전환 빈도 간의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 DR 전략은 제어 없이 기준선을 기준으로 하여 LV 피더의 PV 수용 능력을 50% 이상 증가시켰다.
• 이 방법은 평균 일일 EWH 작동 수가 두 번 이하로 제한되면서도, 전환으로 인한 마모를 크게 줄였다.
• 집단적 부하 제어 및 제한된 제어 가능성 조건 하에서도 높은 성능 유지를 유지하여, 개별 제어가 반드시 필요하지 않음을 시사한다.
• 최적화 과정에 전환 보상 항목을 포함시킴으로써 불필요한 부하 전환을 줄일 수 있었고, 전체 시스템 성능에 미치는 영향은 최소한이었다.
• 높은 PV 투입 조건에서도 전압 상승을 DACHCZ 코드에서 정한 3% 이내로 유지하여 효과적으로 관리하였다.
• 변압기 수준의 전력 측정값과 AMI 데이터를 활용해 일일 부하 에너지 프로파일을 확보하는 것으로도 효과적인 제어가 가능하며, 모든 고객에 대한 고급 미터링의 필요성을 줄일 수 있음을 보여주었다.