[논문 리뷰] Optimal Transmission Topology for Facilitating the Growth of Renewable Power Generation

E. W. R. Little, Sandrine Bortolotti외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 29.

Optimal Power Flow Distribution참고 문헌 28인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 변동성이 큰 재생 가능 에너지를 더 높은 비중으로 통합하기 위한 비용 효율적인 수단으로 최적의 송전 네트워크 구조 제어(OTC)를 제안한다. 수정된 RTS-96 시험 시스템을 사용하여, 풍력 설비 용량이 3배로 증가함에 따라 OTC가 시스템 비용을 최대 3.4배까지 절감하며, 정전과 혼잡도를 감소시키면서도 운영 유연성을 유지함을 입증한다.

ABSTRACT

Transmission topology control is a tool used by system operators in the role of a control action taken into account as a preventive or corrective action relative to a specific outage or set of outages. However, their inclusion in most electricity market frameworks is limited. With the increasing penetration of intermittent energy sources, optimal topology can be used as a lever of flexibility to decrease the total system cost. This paper demonstrates the evolution of optimal topology control on systems with increasing quantities of intermittent renewable energy along two axes. First, the effects of the increased variable sources on the variations of optimal topology are explored. Second, we elaborate on the growing advantages of exploiting transmission level grid flexibility in terms of total system cost. Case studies are performed on a modified RTS-96 network.

연구 동기 및 목표

• 증가하는 재생 가능 에너지 비중을 가진 시스템에서 최적의 송전 네트워크 구조 제어(OTC)의 경제적 및 운영적 이점을 정량화하는 것.
• 더 높은 풍력 발전 수준에 따라 네트워크 구조 조작의 수와 빈도가 어떻게 변화하는지 분석하는 것.
• OTC가 시스템 혼잡도, 풍력 정전, 노드 가격 변동성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 특히 유량 기반 시장 연계 방식과 같은 기존 전력 시장 설계에 OTC를 통합할 잠재력을 평가하는 것.
• 시스템의 변동성이 증가함에 따라 OTC가 안정성뿐 아니라 경제적 효율성 향상 측면에서도 점점 더 가치가 커지는 것을 입증하는 것.

제안 방법

• 네트워크 구조 변화를 이진 결정으로 모델링하여 최적의 송전 스위칭(OTS) 문제를 혼합정수비선형계획문(MINLP)으로 수립하였다.
• 기본 용량의 50%, 75%, 100%, 150%, 300% 수준의 증가하는 풍력 용량 시나리오를 가진 수정된 RTS-96 시험 시스템을 사용하였다.
• 총 시스템 비용(발전 비용 및 정전 비용 포함)을 최소화하기 위해 최적의 송전 구조 제어(OTC) 문제를 최적화 기법을 사용해 해결하였다.
• 세 가지 시스템 구성(구리 플레이트: 네트워크 제약 없음, 기본 네트워크: 유연성 없음, 기본 네트워크에 OTC 포함)을 비교하였다.
• 혼잡도 지표로 노드 가격 변동성을 추적하고, 다양한 시나리오 하에서 풍력 정전을 정량화하였다.
• 사용된 고유한 네트워크 구조의 수와 시간 단위별로 발생하는 네트워크 구조 변경 빈도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 풍력 비중 증가에 따라 사용되는 최적의 네트워크 구조 수는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 재생 가능 에너지 비중 증가에 따라 OTC의 경제적 이점은 총 시스템 비용 절감 측면에서 어떻게 나타나는가?
• RQ3 네트워크 혼잡도로 인한 풍력 정전은 OTC로 얼마나 줄어들 수 있는가?
• RQ4 OTC는 노드 가격의 지리적 변동성에 어떤 영향을 미치며, 이는 혼잡도 감소를 어떻게 반영하는가?
• RQ5 기존의 시장 설계, 예를 들어 유량 기반 시장 연계 방식에 OTC를 통합할 잠재력은 어느 정도인가?

주요 결과

• 기본 용량의 100%에서 300%로 풍력 용량이 증가함에 따라 OTC로 인한 총 시스템 비용 절감 효과가 3.4배 증가하여 연간 2,000만 달러의 절감 효과를 달성한다.
• OTC의 경제적 이점은 풍력 비중 증가 속도보다 더 빠르게 증가한다. 재생 가능 에너지 비중 증가에 따라 구리 플레이트와 기본 네트워크 간의 비용 차이가 4만 달러에서 6,600만 달러로 증가한다.
• OTC로 인해 최대 16억 킬로와트시의 풍력 정전이 감소하며, 특히 네트워크 제약으로 인해 재생 가능 에너지의 발전이 제한되는 고비중 시나리오에서 두드러진다.
• OTC 적용 시 노드 가격 변동성이 감소하여 혼잡도 감소와 네트워크 전역에서 균일한 가격 신호가 반영됨을 나타낸다.
• 풍력 비중 증가에 따라 고유한 네트워크 구조의 수가 증가하지만, 300% 풍력 용량 수준에서도 기저 네트워크 구조(모든 회로가 차단됨)는 전체 시간의 약 50% 동안 사용된다.
• 풍력 수준이 높아질수록 시간 단위당 최적의 네트워크 구조 조작 수가 안정화되며, 이는 시스템 변동성이 증가하더라도 운영 복잡성에 대한 실질적인 한계가 있음을 시사한다.