[논문 리뷰] Stochastic optimal scheduling of demand response-enabled microgrids with renewable generations: An analytical-heuristic approach

Yang Li, Kang Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 24.

Microgrid Control and Optimization참고 문헌 49인용 수 158

한 줄 요약

이 논문은 재생 가능 에너지와 수요 반응을 통합한 고립형 마이크로그리드를 위한 이중 수준의 스토케스티크 최적 스케줄링 모델을 제안하며, 상위 수준의 마이크로그리드 비용 최소화를 위한 내부점법(IPM)과 하위 수준의 사용자 비용 최적화를 위한 자야 알고리즘을 조합한 새로운 Jaya-IPM 하이브리드 알고리즘을 사용한다. 이 방법은 HIA 대비 마이크로그리드 순수익을 10.9% 높이고 사용자 비용을 6.1% 낮추며, 계산 시간은 90% 빠르게 하여 공급-수요 균형을 효과적으로 유지하고 피크 부하 절감을 가능하게 하며, 하중 탄력성과 재생 가능 에너지의 불확실성 관리를 통합한다.

ABSTRACT

In the context of transition towards cleaner and sustainable energy production, microgrids have become an effective way for tackling environmental pollution and energy crisis issues. With the increasing penetration of renewables, how to coordinate demand response and renewable generations is a critical and challenging issue in the field of microgrid scheduling. To this end, a bi-level scheduling model is put forward for isolated microgrids with consideration of multi-stakeholders in this paper, where the lower- and upper-level models respectively aim to the minimization of user cost and microgrid operational cost under real-time electricity pricing environments. In order to solve this model, this research combines Jaya algorithm and interior point method (IPM) to develop a hybrid analysis-heuristic solution method called Jaya-IPM, where the lower- and upper- levels are respectively addressed by the IPM and the Jaya, and the scheduling scheme is obtained via iterations between the two levels. After that, the real-time prices updated by the upper-level model and the electricity plans determined by the lower-level model will be alternately iterated between the upper- and lower- levels through the real-time pricing mechanism to obtain an optimal scheduling plan. The test results show that the proposed method can coordinate the uncertainty of renewable generations with demand response strategies, thereby achieving a balance between the interests of microgrid and users; and that by leveraging demand response, the flexibility of the load side can be fully exploited to achieve peak load shaving while maintaining the balance of supply and demand. In addition, the Jaya-IPM algorithm is proven to be superior to the traditional hybrid intelligent algorithm (HIA) and the CPLEX solver in terms of optimization results and calculation efficiency.

연구 동기 및 목표

• 실시간 가격 제도 하에서 재생 가능 에너지의 불확실성과 수요 반응을 효과적으로 조율하는 문제를 해결하기 위해.
• 이중 수준 최적화 프레임워크를 통해 마이크로그리드 운영 비용 최소화와 사용자 비용 감소라는 상충되는 목표를 균형 잡기 위해.
• 유도된 이중 수준 스토케스틱 프로그래밍 문제에 대해 계산 효율적이고 정확한 해법을 개발하기 위해.
• 수요 반응이 피크 부하 절감과 시스템 유연성 향상에 기여하는 효과를 입증하기 위해.

제안 방법

• 이중 수준 프로그래밍 모델을 수립: 상위 수준은 마이크로그리드 운영 비용을 최소화하고, 하위 수준은 실시간 가격 제도 하에서 사용자 비용을 최소화한다.
• Jaya-IPM 하이브리드 알고리즘을 제안하며, IPM은 상위 수준의 정수선형계획문제(MILP)를 해결하고, Jaya 알고리즘은 하위 수준 문제를 최적화한다.
• 피드백 루프를 통해 상위 수준의 실시간 가격과 하위 수준의 전기 계획을 반복적으로 업데이트하여 공동 최적화를 달성한다.
• 확률적 제약 조건을 갖는 확률적 제약 프로그래밍(Chance-constrained programming, CCP)을 사용하여 재생 가능 에너지와 부하의 불확실성을 다루며, 사전 설정된 신뢰 수준 γ에서 확률적 제약 조건을 적용한다.
• 공급-수요 균형과 시스템 신뢰성을 확보하기 위해 에너지 저장 시스템(ESS), 시간 이동 가능 부하, 스피닝 예비력을 모델에 통합한다.
• 광범위한 마이크로그리드 사례 연구를 통해 해를 검증하였으며, 이는 태양광(PV), 풍력 터빈(WT), 마이크로터빈(MT), Zn-Br 이온 배터리 등을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립형 마이크로그리드 스케줄링에서 수요 반응과 재생 가능 에너지의 불확실성을 효과적으로 조율하여 마이크로그리드와 사용자 간 이해관계를 균형 잡을 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 수요 반응이 통합된 경우 실시간 가격 제도가 부하 이동과 시스템 비용에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 기존 솔버(CPLEX)와 하이브리드 지능형 알고리즘(HIA)에 비해 제안된 Jaya-IPM 알고리즘이 성능과 효율성 면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 고도로 재생 가능 에너지가 통합된 마이크로그리드에서 수요 반응이 피크 부하와 스피닝 예비력 요구량을 얼마나 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 Jaya-IPM 방법은 HIA 대비 20%의 시간 이동 가능 부하 비율에서 마이크로그리드 순수익을 10.9% 향상시키고, CPLEX 대비 11.9% 향상시켰다.
• 사용자 비용은 HIA 대비 6.1% 감소하고 CPLEX 대비 7.7% 감소하여 사용자 비용 효율성이 뛰어나다는 것을 입증하였다.
• 계산 시간은 HIA 대비 약 90% 단축되고 CPLEX 대비 60% 단축되어 뛰어난 계산 효율성을 보였다.
• 모델은 피크 시간대에서 시간 이동 가능 부하를 비피크 시간대로 이동시킴으로써 피크 부하 절감을 성공적으로 달성하였으며, 고부하 기간 동안 스피닝 예비력 필요성을 줄였다.
• 에너지 저장 시스템(ESS)의 충전-방전 사이클이 제안된 방법에 따라 크게 증가하여 재생 가능 에너지 변동성 균형에 효과적으로 활용됨을 보여주었다.
• 수요 반응을 통한 등가 부하 프로파일이 더 매끄럽게 변형되어, 수요 반응이 시스템의 유연성 향상과 변동성 감소에 효과적이라는 것을 확인하였다.