[논문 리뷰] Economic Sizing of Distributed Energy Resources for Reliable Community Microgrids

Chen Yuan, Mahesh S. Illindala|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 03.

Microgrid Control and Optimization인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 하중 및 재생 가능 에너지 발전의 불확실성 하에서 신뢰성을 확보하기 위해 이산 시간 푸리에 변환(DTFT)과 입자군집최적화(PSO)를 사용하여 공동체 마이크로그리드 내 분산 에너지 자원(DERs)의 경제적 규모 결정 방법을 제안한다. 이 방법은 비용과 적정성의 균형을 고려하여 DER 용량을 최적화하며, 결과적으로 재생 가능 에너지의 통합 비율이 최적의 규모 결정에 미치는 영향이 뚜렷하게 나타난다.

ABSTRACT

Community microgrids offer many advantages for power distribution systems. When there is an extreme event happening, distribution systems can be seamlessly partitioned into several community microgrids for uninterrupted supply to the end-users. In order to guarantee the system reliability, distributed energy resources (DERs) should be sized for ensuring generation adequacy to cover unexpected events. This paper presents a comprehensive methodology for DERs selection in community microgrids, and an economic approach to meet the system reliability requirements. Algorithms of discrete time Fourier transform (DTFT) and particle swarm optimization (PSO) are employed to find the optimal solution. Uncertainties of load demand and renewable generation are taken into consideration. As part of the case study, a sensitivity analysis is carried out to show the renewable generation impact on DERs' capacity planning.

연구 동기 및 목표

• 공동체 마이크로그리드 내 분산 에너지 자원(DERs)의 경제적이고 신뢰할 수 있는 규모 결정 방법을 개발하기 위해.
• 극한의 사건과 예측 불가능한 장애 상황 동안 발전 적정성을 확보하여 시스템 신뢰성을 높이기 위해.
• 하중 수요와 재생 가능 에너지 발전의 불확실성을 규모 결정 과정에 통합하기 위해.
• 고급 최적화 기법을 통해 신뢰성 제약 조건을 만족하면서 총 시스템 비용을 최소화하기 위해.

제안 방법

• 연구는 불확실한 하중 및 재생 가능 발전 프로파일의 주파수 도메인 특성을 모델링하고 분석하기 위해 이산 시간 푸리에 변환(DTFT)을 활용한다.
• 비선형이고 혼합정수 최적화 문제인 DER 용량 배분을 해결하기 위해 입자군집최적화(PSO)를 사용한다.
• 최적화 프레임워크는 투자, 운영 및 예상 공급 불가 에너지(EENS) 보상 비용을 포함한 총 비용을 최소화한다.
• 하중 및 재생 가능 에너지의 불확실성은 확률 분포를 사용하여 모델링하고 시나리오 기반 표현을 통해 비용 함수에 통합된다.
• 다양한 DER 조합(예: 태양광 PV, 배터리, 디젤 발전기)을 평가하여 가장 비용 효율적인 구성 요소를 식별한다.
• 다양한 재생 가능 에너지 통합 비율이 최적의 DER 규모에 미치는 영향을 평가하기 위해 민감도 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하중 및 재생 가능 에너지 발전의 불확실성 하에서 공동체 마이크로그리드 내 분산 에너지 자원을 어떻게 경제적으로 규모를 결정할 수 있는가?
• RQ2 총 비용을 최소화하면서도 신뢰성을 유지하기 위한 최적의 DER 조합(예: 태양광, 저장장치, 디젤)은 무엇인가?
• RQ3 재생 가능 에너지의 통합 비율 변화가 DER 최적 규모에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 하중 및 발전의 불확실성이 마이크로그리드 운영의 비용과 신뢰성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 DER 계획에서 투자 비용과 예상 공급 불가 에너지(EENS) 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 DTFT-PSO 하이브리드 방법은 불확실성 하에서 비용과 신뢰성을 효과적으로 균형 잡으며, 근사 최적의 DER 규모 결정 솔루션을 도출한다.
• 높은 재생 가능 에너지 통합 비율은 디젤 발전기와 같은 전통적 DER의 필요 용량을 감소시켜 총 시스템 비용을 낮춘다.
• 민감도 분석 결과, 태양광 PV 용량 증가 시 배터리 저장 용량 요구량이 크게 감소함을 확인하였다.
• 모델은 하중 및 재생 가능 에너지 변동성을 고려한 DER 규모 결정이 EENS를 최소화함을 입증하였다.
• 최적화 결과는 동일한 신뢰성 제약 조건 하에서 히وري스틱 규모 결정 방법 대비 총 비용이 15–20% 감소한 것으로 나타났다.
• PSO 알고리즘은 50회 이터레이션 내에 수렴하여 실용적인 마이크로그리드 계획 응용에 있어 계산 효율성을 보였다.