[논문 리뷰] Allocation of locally generated electricity in renewable energy communities

Miguel Manuel de Villena, Samy Aittahar외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 09.

Smart Grid Energy Management인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 재생 가능 에너지 공동체(RECs)에서 현지에 의해 생성된 전기를 할당하기 위한 사후 최적화 프레임워크를 제안한다. 이 방법은 회원들의 전기 요금을 최소화하는 데 중점을 두고 있는 재분배 키를 사용한다. 물리적 공급 이후 잉여 발전의 최적 재정적 배분을 계산함으로써, 자급률 기반 수익 공유 및 초깃값 제약 조건을 통해 경제적 공정성과 안정성을 향상시키며, 테스트된 시나리오 전반에서 모든 회원의 비용 절감 효과를 보여준다.

ABSTRACT

Local electricity markets represent a way of supplementing traditional retailing contracts for end consumers -- among these markets, the renewable energy community has gained momentum over the last few years. This paper proposes a practical and readily to be adopted modelling solution for these communities, one that allows their members to share the economic benefits derived from them. The proposed solution relies on an \\emph{ex-post} allocation of the electricity that is generated within energy communities (i.e., local electricity) based on the optimisation of \\emph{repartition keys}. Repartition keys are therefore optimally computed to represent the proportion of total local electricity to be allocated to each community member, and aim to minimise the sum of electricity bills of all community members. Since the optimisation takes place \\emph{ex-post} the repartition keys do not modify the actual electricity flows, but rather the financial flows of the community members. Then, the billing process of the community will take these keys into account to correctly send the electricity bills to each member. Building on this concept, we also introduce two additions to the basic algorithm to enhance the stability of the community, which a global bill minimisation may fail to ensure (e.g., very asymmetrical solutions between members may lead to some of them opting out).

연구 동기 및 목표

• 재생 가능 에너지 공동체(RECs) 내부 전력 거래에 대한 명확한 규제 및 운영 프레임워크 부족 문제를 해결한다. 특히 유럽 연합의 탄소중립 정책 확대 배경을 고려하여.
• REC 관리자가 회원 간에 공정하고 경제적으로 현지에서 생성된 전력을 할당할 수 있는 실용적이고 이행 가능한 솔루션을 제공한다.
• 참여 전 수익 공유 및 최소 수익 보장 메커니즘을 도입하여 경제적 지속 가능성과 회원 안정성을 확보한다.
• 실제 전력 흐름 이후에 작동하는 '사후(ex-post)' 모델을 개발함으로써 물리적 전력망의 무결성을 유지하면서 재정 정산을 최적화한다.
• 내부 거래 가격이 소매 구매 가격과 판매 가격 사이에 위치할 경우, REC 설립이 모든 회원의 전기 요금 절감에 기여할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 모든 REC 회원의 총 전기 요금을 최소화하는 데 목적이 있는 선형 프로그래밍 최적화 문제를 수립하여 최적의 재분배 키를 계산한다.
• 실제 역사적 소비 데이터(Ct,i) 및 발전 데이터(Pt,i)를 사용하여 물리적 공급 기반으로 사후 전력 잉여 할당을 계산한다.
• 자급률(ssri)을 성능 지표이자 제약 조건으로 도입하여 회원 간에 현지에서 생성된 전력의 공정한 배분을 보장한다.
• 초기 재분배 키(Kt,i)를 최적화의 기초로 사용하며, 최대 허용 편차(Xt,i) 제약 조건을 통해 최소 수익 기대를 확보한다.
• 재정 흐름을 두 가지 구성요소로 모델링한다: (i) 최적화된 재분배 키 기반으로 REC에 지급되는 일괄 지급금, 및 (ii) 순 전력 수요를 위한 기존 소매 계약.
• 내부 거래 가격(ξl−i, ξl+i)이 소매 구매 가격(ξb i)과 판매 가격(ξs i) 사이에 위치하도록 제약 조건을 적용하여 경제적 타당성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물리적 전력 흐름을 유지하면서, RECs 내에서 현지에 의해 생성된 전력을 어떻게 최적 할당하여 모든 회원의 총 전기 요금을 최소화할 수 있는가?
• RQ2 자급률은 어떻게 공정한 수익 배분과 REC 안정성 향상에 기여하는가?
• RQ3 초기 재분배 키는 잠재 회원의 최소 수익 보장을 어떻게 제공하고 불확실성을 어떻게 줄이는가?
• RQ4 키 편차에 대한 허용 범위를 완화할 경우, 비용 절감 효과와 할당 효율성은 얼마나 향상되는가?
• RQ5 제안된 방법론은 실세계의 REC 구현에 실용적으로 적용되고 확장 가능한가?

주요 결과

• 제안된 재분배 키 최적화는 테스트된 모든 시나리오에서 모든 REC 회원의 전기 요금을 절감하여, REC 설립의 경제적 이점을 입증한다.
• 자급률은 수요 커버리지 비율에 따라 현지에서 생성된 전력의 비례적 배분을 보장함으로써 수익 공유를 효과적으로 가능하게 한다.
• 평균 역사적 수요 기반 비례적 초깃값을 사용하면 안정적이고 실용적인 기초가 마련되며, 회원 간 소매 요금이 유사할 경우 尤 흥미로운 효과를 발휘한다.
• 키 편차에 대한 허용 범위를 증가시킬수록 더 나은 비용 최적화가 가능하며, 균일한 초깃값에서 시작할 경우 더 큰 향상 효과를 관찰할 수 있다.
• 초깃값과 편차 제약 조건의 포함은 잠재 회원의 불확실성을 크게 감소시켜 공동체 안정성과 참여 가능성을 높인다.
• 이 방법론은 실세계 산업 구현 사례를 통해 검증되었으며, REC 관리에 대한 실용성과 확장성의 확인을 얻었다.