[논문 리뷰] Economic Evaluation of Transformer Loss of Life Mitigation by Energy Storage and PV Generation

Milad Soleimani, Mladen Kezunović|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 31.

Electric Vehicles and Infrastructure참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 플러그인 전기자동차(PEV)의 피크 부하로 인한 변압기 수명 감소를 완화하기 위해 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)과 태양광(PV) 발전을 활용하는 경제적 타당성을 평가한다. 텍사스주 콜리지 스테이션의 실세계 데이터(2018년)와 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여, BESS와 PV의 조율된 배치가 가장 높은 온도 부위 온도(HST)를 효과적으로 감소시키고 변압기 수명을 연장함으로써 유리한 투자 대비 효과를 제공함을 입증한다.

ABSTRACT

High penetration of plug-in electric vehicles (PEVs) can potentially put the utility assets such as transformer under overload stress causing decrease in their lifetime. The decrease in PV and battery energy storage system (BESS) prices has made them viable solutions to mitigate this situation. In this paper, the economic aspect of their optimal coordination is studied to assess transformer hottest spot temperature (HST) and loss of life. Monte Carlo simulation is employed to provide synthetic data of PEVs load in a residential complex and model their stochastic behavior. For load, temperature, energy price and PV generation, real data for City of College Station, Texas, USA in 2018 is acquired and a case study is developed for one year. The results illustrate using BESS and PV is economically effective and mitigates distribution transformer loss of life.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 PEV 침투율로 인한 배전 변압기 수명 감소를 완화하는 데 있어 경제적 타당성을 평가하는 것.
• 열 스트레스를 줄이기 위해 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)과 태양광(PV) 발전의 공동 운영을 분석하는 것.
• 확률적 PEV 충전 행동이 배전 변압기의 가장 높은 온도 부위 온도(HST)와 수명 감소에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 콜리지 스테이션, 텍사스주에서의 2018년 실세계 데이터를 기반으로 1년간 시뮬레이션 기간을 가진 사례 연구를 수립하는 것.

제안 방법

• 주거 단지 내에서 확률적 PEV 부하 행동를 위한 시뮬레이션 데이터를 생성하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• 2018년 동안 텍사스주 콜리지 스테이션에서의 부하, 주변 온도, 전력 가격 및 PV 발전에 대한 실세계 데이터를 수집하였다.
• 열 사이클 기반 수명 감소를 추정하기 위해 변압기의 가장 높은 온도 부위 온도(HST)에 대한 동적 모델을 개발하였다.
• 투자, 운영 및 에너지 비용 절감 요소를 고려하여 BESS 및 PV 통합의 순현재가치(NPV)를 평가하기 위한 경제 모델을 수립하였다.
• HST를 최소화하고 변압기 수명을 연장하기 위해 다양한 부하 및 발전 시나리오에서 BESS와 PV의 최적 공조를 평가하였다.
• 실제 조건을 반영하기 위해 전체 1년간의 운영을 시뮬레이션하여 성능 및 경제적 결과를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PEV 유도 피크 부하로 인한 변압기 수명 감소를 줄이기 위해 BESS와 PV 통합이 미치는 경제적 영향은 무엇인가?
• RQ2 확률적 PEV 충전 행동은 배전 변압기의 열 스트레스와 수명에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 BESS와 PV의 공조는 배전 변압기의 가장 높은 온도 부위 온도(HST)를 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 투자, 운영 및 에너지 비용 요소를 고려할 때 BESS 및 PV 배치의 순현재가치(NPV)는 얼마인가?
• RQ5 부하, 온도 및 PV 발전의 실세계 변동성이 완화 전략의 경제적 및 기술적 성능에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• BESS와 PV의 통합은 배전 변압기의 가장 높은 온도 부위 온도(HST)를 현저히 감소시켜 수명 감소를 완화시켰다.
• BESS와 PV의 공동 사용은 열 사이클과 피크 부하를 줄여 변압기 수명을 명백히 연장시켰다.
• 경제 분석 결과, 에너지 비용 절감과 회피된 교체 비용을 고려할 때 BESS 및 PV 투자 투자가 타당하다는 것이 입증되었다.
• 실제 2018년 데이터 조건 하에서 시스템의 순현재가치(NPV)는 양의 값을 기록하여 경제적 타당성이 확인되었다.
• 몬테카를로 시뮬레이션은 PEV 충전의 확률적 특성을 효과적으로 반영하여 시스템 성능 평가의 강건성을 확보하였다.
• 사례 연구는 BESS와 PV가 배전망에서 기술적 및 경제적 이점을 달성하기 위해 최적으로 공조될 수 있음을 입증하였다.