[논문 리뷰] Representation of Distribution Grid Expansion Costs in Power System Planning

Luis Böttcher, Christian Fröhlich외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Integrated Energy Systems Optimization인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 체계적 전력 시스템 계획에서 배전망 확장 비용과 운영 제약 조건을 표현하기 위한 새로운 방법인 타당 계획 영역(Feasible Planning Region, FPR)을 제안한다. 다중 변전압 수준과 도시화 유형에 걸쳐 물리적 제약과 투자 비용을 통합함으로써 FPR은 향후 에너지 시스템의 보다 정확하고 비용 반영적인 최적화를 가능하게 하여, 단순화된 모델에 비해 분산형 태양광 발전의 통합 비율을 높이고 송전 손실을 감소시킨다.

ABSTRACT

The shift towards clean energy brings about notable transformations to the energy system. In order to optimally plan a future energy system, it is necessary to consider the influence of several sectors as well as the interaction of the transmission grid and distribution grid. The concept of Feasible Operation Region (FOR) is a detailed approach to representing the operational dependencies between the transmission and distribution grid. However, in previous planning procedures, only a simplified expansion of the distribution grids can be taken into account. With the method presented in this paper, a Feasible Planning Region (FPR) is developed, which represents the operational boundaries of the distribution grids for several expansion stages and thus represents an admissible solution space for the planning of distribution grids in systemic planning approaches. It hence enables a more detailed representation of the necessary distribution grid expansion for the integration of distributed technologies in an optimized energy system of the future. In this paper, we present the method by which the FPR is formed and its integration into an energy system planning formulation. In the results, the FPR is presented for different voltage levels, and its use in power system planning is demonstrated.

연구 동기 및 목표

• 체계적 에너지 시스템 계획에서 분포망 확장 비용과 운영 제약 조건을 상세히 표현하지 못하는 문제를 해결하기 위해.
• 다양한 변전압 수준과 도시화 유형 간의 분포망 인프라 투자와 물리적 운영 제약 조건 간의 상호작용을 포괄하는 방법을 개발하기 위해.
• 분포망 타당성 조건을 시스템 전체 최적화 모델에 통합함으로써 TSO-DSO 간 협력 계획을 가능하게 하기 위해.
• 분포망 비용과 제약 조건을 포함함으로써 미래 에너지 시스템의 기술 선택과 시스템 구성이 어떻게 변화하는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 타당 계획 영역(Feasible Planning Region, FPR)은 전력 흐름 방정정식과 그리드 파rameter를 사용하여 다수의 확장 단계에 걸친 분포망의 운영 경계를 모델링함으로써 구축된다.
• FPR은 열적 제한, 전압 제한 등의 물리적 제약 조건과 10–20 kV, 110 kV 등의 다양한 변전압 수준 및 농촌, 준도시, 도시 등의 도시화 수준에 따른 투자 비용을 통합한다.
• 이 방법은 타당 운영 영역(Feasible Operation Region, FOR) 개념을 확장하여 투자 비용 구성 요소를 포함함으로써, 타당성과 그리드 확장의 경제적 비용을 반영하는 해공간을 형성한다.
• FPR은 대규모 에너지 시스템 최적화 모델에 통합되어 송전망과 배전망 간의 통합 계획을 가능하게 한다.
• 이 접근법은 역사적 기상 데이터와 기존 발전소 유지 기반의 2030년 그린필드 시나리오를 바탕으로 한 37개 노드(국가별 1개)의 축소된 유럽 네트워크를 사용한다.
• 두 가지 시나리오를 비교한다: FPR이 포함되지 않은 경우(무제한 용량, 비용 없음)와 FPR이 포함된 경우(비용과 물리적 제약 조건 포함)로, 시스템 구성에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분포망 확장 비용과 물리적 제약 조건을 포함함으로써 향후 에너지 시스템의 최적 구성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 변전압 수준과 도시화 유형이 타당 계획 영역(FPR)의 형태와 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단순화된 모델에 비해 FPR이 기술 배치, 특히 분산형 태양광 발전 및 풍력 발전에 대해 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ4 FPR은 송전망과 배전망 간의 연계 전력 흐름과 송전 손실에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• FPR을 포함함으로써 屋上 태양광 발전의 배치가 증가한다. 이는 연계 전력 흐름을 줄이고 고비용의 배전망 확장을 피하기 때문이다.
• FPR을 포함한 시나리오 B는 FPR이 없는 시나리오 A에 비해 TSO/DSO 접합부에서 송전 손실이 15–20% 감소하였다. 이는 국지적 발전에 기인한다.
• FPR 모델은 도시 및 준도시 지역에서 온shore 풍력에서 분산형 태양광 발전으로의 전환을 유도한다. 이는 현지 발전의 비용과 물리적 타당성 반영 때문이다.
• FPR의 형태와 비용은 변전압 수준과 도시화 수준에 따라 크게 달라지며, 도시 지역은 더 엄격한 제약 조건과 높은 투자 비용을 보인다.
• FPR은 TSO-DSO 간 협력의 더 정확한 표현을 가능하게 하여, 분포망 비용을 忽略할 경우 최적의 시스템 구성이 이루어지지 않음을 드러낸다.
• 본 연구는 FPR 통합이 물리적 및 경제적 제약 조건을 적절히 모델링할 경우, 분산형 기술을 선호하는 최적의 에너지 시스템 조합을 도출함을 입증한다.