[논문 리뷰] Aggregate Power Flexibility in Unbalanced Distribution Systems

Xin Chen, Emiliano Dall’Anese외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 14.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 25인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 네트워크 제약 조건과 다상 불균형 모델링을 고려하여 비균형 3단계 분배계통에서의 집합적 전력 유연성을 모델링하고 정량화하기 위한 방법을 제안한다. 이는 변전소에서의 순 전력 주입에 대한 근사 가능 영역을 유도하여, 이 영역 내의 모든 궤적에 대해 분산 에너지 자원(DER) 간의 타당한 분해가 가능하도록 보장한다. 이 접근법은 볼록 근사화와 분산 모델 예측 제어(MPC)를 활용하여 네트워크 제약 조건 하에서 확장 가능하고 안정적이며 조율된 전송-분배계통 상호작용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

With a large-scale integration of distributed energy resources (DERs), distribution systems are expected to be capable of providing capacity support for the transmission grid. To effectively harness the collective flexibility from massive DER devices, this paper studies distribution-level power aggregation strategies for transmission-distribution interaction. In particular, this paper proposes a method to model and quantify the aggregate power flexibility, i.e., the net power injection achievable at the substation, in unbalanced distribution systems over time. Incorporating the network constraints and multi-phase unbalanced modeling, the proposed method obtains an effective approximate feasible region of the net power injection. For any aggregate power trajectory within this region, it is proved that there exists a feasible disaggregation solution. In addition, a distributed model predictive control (MPC) framework is developed for the practical implementation of the transmission-distribution interaction. At last, we demonstrate the performances of the proposed method via numerical tests on a real-world distribution feeder with 126 multi-phase nodes.

연구 동기 및 목표

• 비균형 분배계통에서 대규모이고 이질적인 분산 에너지 자원(DER)의 조율 문제를 해결하여 전송계통 운영에 능동적으로 참여할 수 있도록 한다.
• 네트워크 제약 조건과 3상 불균형 전력 흐름을 고려하여 변전소에서의 순 전력 주입에 대한 근사 가능 영역으로서 분배계통의 집합적 전력 유연성을 정량화한다.
• 유도된 가능 영역 내의 모든 집합적 전력 궤적이 PV, 에너지 저장 장치, 제어 가능한 부하를 포함한 개별 DER의 타당한 디스패치로 분해될 수 있도록 보장한다.
• 실시간 구현이 가능한 실용적인 전송-분배계통 조율을 위한 분산 모델 예측 제어(MPC) 프레임워크를 개발한다.
• 실제 126노드, 다상 분배피더를 대상으로 시험하여 실제 운영 제약 조건 하에서의 확장성과 타당성을 입증한다.

제안 방법

• 전압, 회선 전류 제한 등의 네트워크 제약 조건, DER 능력(태양광, 에너지 저장 장치, 제어 가능한 부하) 및 환기· conditioning(HVAC) 온도 동역학을 포함하는 다기간 3상 최적 전력 흐름 모델을 수립한다.
• 비선형 비볼록 제약 조건을 갖는 AC 전력 흐름 방정식에 볼록 근사화를 적용하여 비볼록 비선형 제약 조건을 볼록 제약 조건으로 변환함으로써 집합적 유연성 영역의 계산을 가능하게 한다.
• 변전소에서의 순 유효 전력 주입에 대한 모든 타당한 궤적을 포함하는 집합적 전력 유연성 영역을 정의하며, 이는 두 개의 별도 최적화 문제를 풀어 유도된 하한 및 상한 궤적에 의해 경계된다.
• 두 개의 극단적 타당 궤적(하한 및 상한 경계)의 아핀 조합을 사용하여 볼록 가능 영역을 구성함으로써 중간 점의 볼록성과 타당성을 보장한다.
• 지역 최적화 하위 문제를 풀면서도 전역 시스템 제약 조건을 준수하는 방식으로 실시간 DER 조율을 가능하게 하는 분산 MPC 프레임워크를 도입한다.
• 네트워크 제약 조건은 시간 분리 형식을 사용하고, 에너지 저장 장치의 충전 상태 및 HVAC 온도 제한과 같은 시간 연속 제약 조건은 시간 결합 형식을 사용하여, 수평 기간 동안의 재귀적 타당성과 제약 조건 이행을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 네트워크 제약 조건과 다상 불균형 운영 조건 하에서 비균형 3상 분배계통의 집합적 전력 유연성은 어떻게 정량화하고 모델링할 수 있는가?
• RQ2 어떤 궤적이든 이 영역 내에 존재할 경우 타당한 분해가 보장되는 변전소에서의 순 전력 주입 가능 영역의 구조는 무엇인가?
• RQ3 시스템 안정성과 운영 제약 조건을 준수하면서 다양한 DER의 실시간, 확장 가능한 조율을 가능하게 하는 분산 최적화 프레임워크를 설계할 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법은 유도된 가능 영역 내의 어떤 집합적 전력 궤적이라도 개별 DER 간의 타당한 분해가 가능하도록 보장하는가?
• RQ5 실제 비균형 분배피더에서 제안된 방법의 타당성, 확장성 및 계산 타당성 측면에서의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 방법은 변전소에서의 순 유효 전력 주입에 대해 볼록이고 근사 가능한 가능 영역을 구성하며, 이 영역 내의 모든 궤적이 개별 DER 디스패치로의 타당한 분해가 가능하도록 보장한다.
• 두 극단적 타당 해(하한 및 상한 경계)의 볼록 조합을 통한 증명을 통해 모든 중간 집합적 궤적이 네트워크 및 장치 제약 조건을 모두 만족함을 입증한다.
• 볼록 근사화와 아핀 매개변수화를 통해 에너지 저장 장치의 충전 상태 제한 및 HVAC 온도 제약 조건과 같은 시간 연속 제약 조건을 보장한다.
• 실제 126노드, 다상 분배피더에서의 수치 시험 결과는 복잡한 비균형 시스템 동역학을 처리하고 다양한 운영 시나리오에서 타당성을 유지할 수 있음을 입증한다.
• 분산 MPC 프레임워크는 전체 시스템 변수를 중앙 집중적으로 알 필요 없이 확장 가능하고 실시간 DER 조율을 가능하게 하여 개인정보 보호성과 계산 효율성을 향상시킨다.
• 이 방법은 비균형 시스템에서 이질적인 DER(PV, 저장 장치, 제어 가능한 부하, HVAC)의 집합적 유연성을 효과적으로 포착하여 전송계통 운영에 능동적으로 참여할 수 있도록 한다.