[논문 리뷰] Value of Optimal Trip and Charging Scheduling of Commercial Electric Vehicle Fleets with Vehicle-to-Grid in Future Low Inertia Systems

Alicia Blatiak, Federica Bellizio외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 25.

Electric Vehicles and Infrastructure참고 문헌 24인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 저관성 전력계통에서 차량-전력망(V2G) 기능을 갖춘 상용 전기자동차(EV) 운송 편대의 운행 및 충전 일정을 최적화하기 위해 혼합정수선형계획모델(MILP)을 제안한다. 실시간 전력 및 부가서비스 가격과 연계된 일일 운행 시점 조정을 통해, 여름에는 수익을 최대 38% 증가시키고 겨울에는 12% 증가시키며, 주파수 응답 제공을 통해 하나의 복합순환가스터빈(CCGT) 발전소를 격리시키는 것과 동일한 효과를 낸다.

ABSTRACT

The electrification of transport is seen as an important step in the global decarbonisation agenda. With such a large expected load on the power system from electric vehicles (EVs), it is important to coordinate charging in order to balance the supply and demand for electricity. Bidirectional charging, enabled through Vehicle-to-Grid (V2G) technology, will unlock significant storage capacity from stationary EVs that are plugged in. To take this concept a step further, this paper quantifies the potential revenues to be gained by a commercial EV fleet operator from simultaneously scheduling its trips on a day-ahead basis, as well as its charging. This allows the fleet to complete its trips (with user defined trip length and distance), while taking advantage of fluctuating energy and ancillary services prices. A mathematical framework for optimal trip scheduling is proposed, formulated as a mixed-integer linear program, and is applied to several relevant scenarios of the present and future British electricity system. It is demonstrated that an optimal journey start time can increase the revenue of commercial fleets by up to 38% in summer and 12% in winter. This means a single EV from the maintenance fleet can make additional annual revenue of up to {\pounds}729. Flexible trip schedules are more valuable in the summer because keeping EVs plugged in during peak solar output will benefit the grid and the fleet operators the most. It was also found that a fleet of 5,000 EVs would result in the equivalent $ extrm{CO}_2$ of removing one Combined Cycle Gas Turbine from the system. This significant increase in revenue and carbon savings show this approach is worth investigating for potential future application.

연구 동기 및 목표

• 저관성 전력계통에서 상용 EV 편대의 운행 및 충전 일정 최적화를 통해 재정적 및 전력계통적 이점을 정량화하는 것.
• 영국에서 변동하는 전력 및 부가서비스 가격 하에서 유연한 운행 일정 조정이 수익에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 특히 화석연료 기반의 스피닝 예비력 대체 가능성을 고려해, 주파수 응답 서비스를 제공하는 EV 편대의 탄소 감축 잠재력을 평가하는 것.
• 운영 제약 조건과 시장 역학을 실제 적용 가능한 스케일러블 최적화 프레임워크를 개발하는 것.

제안 방법

• 상용 EV 편대의 운행 시작 시점과 충전 일정을 동시에 최적화하기 위해 혼합정수선형계획(MILP)을 수립한다.
• 시간대별 요금, 상향 및 하향 보정 서비스 가격, 주파수 응답 요구사항을 통합한다.
• 운행 거리와 시간에 기반한 차량 에너지 소비 모델링을 수행하며, 배터리 충전도 제약과 충전/방전 효율성을 포함한다.
• 최저 주파수 제약 조건을 도입하여 필요 동기 관성 감소를 정량화하고, CCGT 격리 계산을 가능하게 한다.
• 실제 영국 전력시장 데이터를 활용해 배달 및 유지보수 편대의 시나리오를 시뮬레이션한다.
• 운행 지연, 가격 변동성, 재생에너지 발전 패턴에 대한 민감도 분 析를 통해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적인 전력시장에서 운행 시작 시점과 충전 일정 최적화를 통해 상용 EV 편대가 추가로 얻을 수 있는 수익은 얼마나 되는가?
• RQ2 유연한 운행 일정 조정이 전력계통의 관성 지원에 미치는 영향과 복합순환가스터빈(CCGT)의 잠재적 대체 가능성은 어떠한가?
• RQ3 주파수 응답 가격 변동성과 재생에너지 발전 패턴의 변화가 최적 일정의 가치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 도시 환경에서 교통 관련 지연이 최적화된 일정의 재정적 이점에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 특히 여름과 겨울 간의 계절 조건 차이에서, 유연한 일정 조정의 가치는 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 최적의 운행 일정 조정으로 여름에는 수익이 최대 38% 증가하고 겨울에는 12% 증가하였으며, 단일 EV가 연간 최대 £729의 추가 수익을 창출할 수 있었다.
• 5,000대의 EV 편대가 주파수 응답을 제공함으로써 최소 한 대의 CCGT 발전소를 격리시킬 수 있었으며, 월 평균 약 66,500kg의 이산화탄소 배출을 방지하였다.
• 유연한 운행 일정 조정은 주파수 응답 가격 수준에 관계없이 고정 일정 대비 약 23%의 수익 프리미엄을 제공하여 일관된 가치를 보였다.
• 운행 지연 1시간으로 인해 여름에는 최대 수익이 7–11% 감소하였고, 겨울에는 8–13% 감소하였으며, 겨울은 가격 변동성과 태양광 발전 감소로 인해 더 민감한 편이었다.
• 여름에는 태양광 발전이 더 많아, EV가 피크 태양광 발전 시기에 충전을 유지함으로써 전력계통 지원이 가능해져 유연한 일정 조정의 가치가 더 높았다.
• 가격 변화에 대한 민감도 분석 결과, 주파수 응답 가격이 25% 감소하면 수익도 비례해 25% 감소하였지만, 추가로 25% 감소할 경우 수익은 33–34% 감소하여 비선형적 시장 민감도가 드러났다.