[논문 리뷰] Robust Integration of High-level Dispatchable Renewables in Power System Operation

Hongxing Ye, Jianhui Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 18.

Electric Power System Optimization참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고비율 재생 가능 에너지 자원(RES) 통합 시스템에서 조정 가능한 재생 가능 에너지 자원을 유연한 자원으로 간주하는 이단계 적응형 단위 지정 모델을 제안한다. 조정 가능한 RES를 최대 용량까지 출력을 제어할 수 있는 시장 참가자로 모델링함으로써, 반복적인 하위문제 해결이 필요 없이 악성 시나리오를 직접 식별함으로써 단 한 개의 추가 시나리오만으로도 강건성을 확보한다. 이 방법은 계산 부담을 감소시키고 기존의 전통적인 강건한 UC 모델에 비해 더 높은 RES 통합과 더 낮은 시스템 비용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The increasing penetration of Renewable Energy Sources (RES) requires more Flexibility Resources (FR), generally thermal units and storages, must be kept in the system to accommodate the uncertainties from RES. The challenge is how the system can survive when the RES level is very high. In this paper, RESs are considered as full-role market participants. They can bid in the day-ahead market, and the powers they deliver to the market are controllable up to their maximum available powers. Therefore, RESs are effectively dispatchable and can function as FR providers. To integrate dispatchable renewables, a two-stage robust Unit Commitment (UC) and dispatch model is established. In the first stage, a base UC and dispatch is determined. In the second stage, all FRs including RESs are used to accommodate the uncertainties, which is a Mixed-Integer Programming (MIP) problem. It is proved that the solution to the max-min problem can be identified directly whether the strong duality holds or not for the inner minimization problem. The solution robustness is guaranteed by including only one extra scenario. Numerical results show the effectiveness of the proposed model and its advantages over the traditional robust UC model with high level RES penetration.

연구 동기 및 목표

• 고비율 재생 가능 에너지 자원(RES)을 전력 시스템에 통합하면서도 시스템의 안정성과 탄력성을 유지하는 데 도전하는 것.
• 비조정 가능한 RES를 포함한 기존의 강건한 SCUC 모델의 과도한 보수성과 높은 계산 비용 문제를 해결하는 것.
• 조정 가능한 RES를 최대 용량까지 출력 제어가 가능한 조정 가능한 시장 참가자로 모델링하여, 이들이 능동적인 자원으로 기능하도록 하는 것.
• 반복적인 Benders 또는 컬럼 생성 기법 없이도 해의 강건성을 보장하는 계산 효율적인 강건 최적화 프레임워크를 개발하는 것.
• 조정 가능한 RES가 유연성을 제공하고 총 시스템 비용을 낮출 수 있음을 입증하는 것—특히 높은 불확실성 수준에서 효과적이다.

제안 방법

• 이중단계 강건 단위 지정(UC) 및 배분 모델을 수립하였으며, 제1단계는 기본 UC 및 배분을 결정하고, 제2단계는 조정 가능한 자원(조정 가능한 RES 포함)을 통해 불확실성을 수용하도록 조정한다.
• 이중단계 재배분 문제의 악성 시나리오를 강건성 이론을 활용하여 직접 식별하였으며, 강력한 이중성 조건이 성립하지 않더라도 강건성을 보장한다.
• 단 한 개의 추가 시나리오(악성 시나리오)를 포함시킴으로써 강건성이 보장되며, 반복적인 Benders 또는 컬럼 생성 방법의 필요성을 제거한다.
• 조정 가능한 RES는 당일 시장에 입찰하고 최대 가용 출력까지 전력을 공급할 수 있는 시장 참가자로 모델링되어, 실제로는 능동적인 정규화 자원으로 기능한다.
• 모델은 혼합정수계획법(MIP)으로 수립되었으며, 이중성 기반의 악성 불확실성 식별을 통해 비볼록 최대-최소 하위문제를 해결하지 않도록 하는 해법 접근법을 채택하였다.
• IEEE 118-bus 시스템에서 다양한 불확실성 수준, RES 입찰 가격, 빠른 기동 단위 구성 조건 하에서 수치적 검증을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고비율 통합 환경에서 조정 가능한 재생 가능 에너지 자원이 강건한 단위 지정에서 능동적인 자원으로 효과적으로 모델링될 수 있는가?
• RQ2 강건성 이론의 이중성 가정 없이도 반복적인 하위문제 해결 없이 악성 불확실성 시나리오를 직접 식별할 수 있는가?
• RQ3 조정 가능한 RES의 특성이 고불확실성 수준에서 시스템 비용, RES 조달, 시스템 탄력성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 빠른 기동 단위의 포함 여부가 RES 통합 및 시스템 운영 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 모델은 단 한 개의 추가 시나리오만으로도 강건성을 확보할 수 있으며, 기존의 강건 UC 방법에 비해 계산적으로 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 30%의 불확실성 수준에서 RES 에너지 조달을 최적화할 경우, 제안된 모델은 총 시스템 비용을 9.58% 감소시켰으며, 이는 열력 기반 예비 전력 조달이 전체 RES 에너지 조달보다 경제적임을 시사한다.
• 5달러/메가와트트아워(MWh)의 입찰 제안 가격에서, 악성 비용에 대한 가중요소가 0에서 1로 증가함에 따라, RES 에너지 조달 비율은 91.93%에서 80.16%로 감소함을 보여주며, 악성 시나리오에 대한 과도한 최적화가 RES 활용도를 감소시킴을 시사한다.
• 빠른 기동 단위를 도입한 결과, 5달러/MWh 입찰 가격에서 RES 에너지 조달 비율이 91.06%에서 98.57%로 증가함을 확인하였으며, 이는 탄력적인 자원이 더 많은 재생 에너지를 흡수할 수 있도록 시스템 능력을 향상시킴을 보여준다.
• IEEE 118-bus 시스템에서 제안된 모델은 2초 이내에 해를 도출하였으며, 가속 기법 없이도 2시간 내 수렴하지 못하는 기존의 강건 UC 방법에 비해 현저히 뛰어난 성능을 보였다.
• 강건성 이론을 활용하여 강력한 이중성 조건 없이도 악성 시나리오를 직접 식별할 수 있었으며, 이는 단 한 개의 추가 시나리오만으로도 강건성을 확보하고 반복적인 Benders 또는 컬럼 생성 과정을 제거할 수 있음을 의미한다.
• 비조정 가능한 RES를 포함한 기존의 강건 UC 모델은 고비율 RES 통합 수준에서 해가 존재하지 않게 되지만, 제안된 모델은 조정 가능한 RES를 통해 해의 존재성과 강건성을 유지한다.