[논문]Two Stage Hybrid Optimization을 사용한 ESS 최적 운전 전략에 대한 연구

공은경; 손진만

doi:10.5370/kiee.2018.67.7.833

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This paper presents an analysis and the methodology of optimal operation strategy of the ESS(Energy Storage System) for reduce electricity charges. Electricity charges consist of a basic charge based on the contract capacity and energy charge according to the power usage. In order to use electrical ...

This paper presents an analysis and the methodology of optimal operation strategy of the ESS(Energy Storage System) for reduce electricity charges. Electricity charges consist of a basic charge based on the contract capacity and energy charge according to the power usage. In order to use electrical energy at minimal charge, these two factors are required to be reduced at the same time. QP(Quadratic Programming) is appropriate for minimization of the basic charge and LP(Linear Programmin) is adequate to minimize the energy charge. However, the integer variable have to be introduced for modelling of different charge and discharge efficiency of ESS PCS(Power Conversion System), where MILP(Mixed Integer Linear Programming) can be used. In this case, the extent to which the peak load savings is accomplished should be assumed before the energy charge is minimized. So, to minimize the electricity charge exactly, optimization is sequentially performed in this paper, so-called the Two Stage Hybird optimization, where the extent to which the peak load savings is firstly accomplished through optimization of basic charge and then the optimization of energy charge is performed with different charge and discharge efficiency of ESS PCS. Finally, the proposed method is analyzed quantitatively with other optimization methods.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전기 요금의 최소화를 위한 Two Stage Hybrid Optimization을 제안하였으며, 다양한 최적화 방법에 대한 결과를 정량적으로 비교하였다. 전력량 요금의 최소화에 ESS PCS의 충전 및 방전 효율의 영향을 분석하기 위해 혼합정수 계획법을 사용하였다.
따라서 전기 요금의 최소화에는 이 두 가지 요소를 절감하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 전기 요금의 최소화를 위해서 ESS(Energy Storage System)를 적용하여 부하가 높은 구간에서 부하가 낮은 구간으로 부하를 이전시켜 최대부하를 축소시켜 기본요금을 절감하고, 시간대별 요금이 높은 구간에서 시간대별 요금이 낮은 구간으로 부하를 이전시켜 전기 요금을 절감할 수 있도록 효율적으로 운용하는 방법에 대해 설명한다. 여러 형태의 분산전원과 함께 ESS 스케줄링에 과한 여러 가지 연구가 이루어졌다[1-3].
결국 기본 요금의 최소화를 ESS 운전에 의한 최적해를 통해서가 아니라 임의의 목표값 설정을 통해 수행하게 되는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 본 논문에서는 ESS 설치 전 이차계획법을 수행하여 절감된 ESS 용량을 바탕으로 ESS PCS 충,방전 효율이 다른 경우를 고려하여 혼합정수계획법을 사용한 ESS 최적화를 수행하는 Two Stage Hybrid Optimization 방법을 제안한다. Two Stage Hybrid Optimization은 그림 1에서 볼 수 있는 것과 같이 다음과 같은 절차로 수행된다.

제안 방법

그림 8은 그림 3와 비교하기 위해 ESS PCS의 충전 및 방전 효율이 100%로 동일하게 설정 한 후 최적화를 수행한 결과이다. Case 3 에서 얻은 최대부하의 절감율인 15.32%과 약 20% 절감된 용량을 제약 조건으로 설정하고 혼합정수계획법을 사용하여 ESS PCS의 충, 방전 효율이 다른 경우를 적용하여 전력량 요금의 최소화를 수행하였다. 따라서 그림 3에서 보다 ESS의 충, 방전 패턴의 면적이 줄어든 것을 확인할 수 있다.
그러나, 이차계획법으로 최적화를 수행하였을 경우 ESS PCS의 충, 방전 효율이 다른 경우를 반영하여 고려할수 없고 ESS의 설치비용도 절감할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 ESS의 설치비용을 절감하는 동시에 ESS PCS의 충, 방전 효율을 고려한 전기 요금 최소화를 위하여 두 개의 단계로 나누어 최적화를 수행하는 Two Stage Hybrid Optimization을 제안하고, 그 결과를 타 최적화 방법을 사용한 결과와 정량적으로 비교하여 분석하였다.
선형계획법과 이차계획법의 목적함수의 병합으로 이루어진 전기요금의 최소화를 위한 시뮬레이션 결과는 다른 최적화 방법에 비해 전기 요금의 절감율이 크지만 ESS PCS의 충, 방전 효율의을 분리할 수 없는 한계가 있다. 따라서 전기 요금의 최소화를 위해서는 설비계획단 계에서 이차계획법을 통해 ESS의 용량의 절감을 얻어 설비비용을 절감한 후 ESS PCS의 충전 및 방전 효율의 영향을 반영한 혼합정수계 획법을 적용하는 Two Stage Hybrid Optimization을 제안하였다. 그결과를 도시철도 변전소의 실제 데이터를 이용하여 정량적으로 비교 분석하여 ESS 운영 전 대비 약 4%의 요금 절감 효과를 기대할 수 있었으며, ESS PCS 충방전 효율을 고려하여 절감효과가 과도하게 반영되지 않도록 하였다.

대상 데이터

시뮬레이션의 부하데이터는 도시철도 변전소의 실제 측정값을 사용하였다[8]. ESS의 용량은 2,000[kWh]일 때 24시간을 15분 간격으로 분할하여 96구간이 되며, α는 0.

이론/모형

다음은 그림 1에서 설명한 “Two Stage Hybrid Optimization”을 수행한 결과이다. 먼저 이차계획법을 수행하여 최대부하의 절감율과 절감된 ESS 용량을 바탕으로 혼합정수계획법을 수행한다. 따라서 Case 4와 달리 ESS PCS의 충, 방전 효율이 상이한 경우를 다룰 수 있다.
전력량 요금의 최소화가 목적인 Case 1은 선형계획법과 혼합정수 계획법을 사용하였다. 선형계획법을 사용한 결과에서는 ESS PCS의 충, 방전 효율이 상이한 경우를 다룰 수 없기 때문에 혼합정수계획법을 사용하여 Case 2를 수행하였다. ESS PCS의 충, 방전 효율을 분리하여 적용하는 것이 두 값의 평균으로 효율을 동일하게 설정하는 것보다 0.
표 2와 표 3은 모든 최적화를 수행하여 얻은 결과를 요약한 것이다. 전력량 요금의 최소화가 목적인 Case 1은 선형계획법과 혼합정수 계획법을 사용하였다. 선형계획법을 사용한 결과에서는 ESS PCS의 충, 방전 효율이 상이한 경우를 다룰 수 없기 때문에 혼합정수계획법을 사용하여 Case 2를 수행하였다.
본 논문에서는 전기 요금의 최소화를 위한 Two Stage Hybrid Optimization을 제안하였으며, 다양한 최적화 방법에 대한 결과를 정량적으로 비교하였다. 전력량 요금의 최소화에 ESS PCS의 충전 및 방전 효율의 영향을 분석하기 위해 혼합정수 계획법을 사용하였다. 선형계획법과 이차계획법의 목적함수의 병합으로 이루어진 전기요금의 최소화를 위한 시뮬레이션 결과는 다른 최적화 방법에 비해 전기 요금의 절감율이 크지만 ESS PCS의 충, 방전 효율의을 분리할 수 없는 한계가 있다.

성능/효과

한편, 그림 4는 ESS PCS의 충전 효율은 90%, 방전 효율은 70% 일 경우의 시뮬레이션 결과이다. ESS PCS의 충, 방전 효율은 SoC에 영향을 주어 그림 3과 비교하여 전력량 요금이 가장 저렴한 26~29구간에서의 충전 패턴과 50~52구간부터의 방전 패Jin-Man Sohn턴이 다른 것을 확인할 수 있다. 이는 ESS PCS의 효율의 변화가 SoC에 영향을 주어 충, 방전의 패턴이 달라진 것으로 해석할 수 있다.
선형계획법을 사용한 결과에서는 ESS PCS의 충, 방전 효율이 상이한 경우를 다룰 수 없기 때문에 혼합정수계획법을 사용하여 Case 2를 수행하였다. ESS PCS의 충, 방전 효율을 분리하여 적용하는 것이 두 값의 평균으로 효율을 동일하게 설정하는 것보다 0.32% 더 나은 결과를 얻을 수 있었다. 기본요금의 최소화가 목적인 Case 3에서는 최대부하가 15.
따라서 전기 요금의 최소화를 위해서는 설비계획단 계에서 이차계획법을 통해 ESS의 용량의 절감을 얻어 설비비용을 절감한 후 ESS PCS의 충전 및 방전 효율의 영향을 반영한 혼합정수계 획법을 적용하는 Two Stage Hybrid Optimization을 제안하였다. 그결과를 도시철도 변전소의 실제 데이터를 이용하여 정량적으로 비교 분석하여 ESS 운영 전 대비 약 4%의 요금 절감 효과를 기대할 수 있었으며, ESS PCS 충방전 효율을 고려하여 절감효과가 과도하게 반영되지 않도록 하였다. 제안된 방법은 ESS 용량산정 및 최적운전전략수립에 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기 요금의 최소화하려면 어떤 방법이 있는가?	따라서 전기 요금의 최소화에는 이 두 가지 요소를 절감하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 전기 요금의 최소화를 위해서 ESS(Energy Storage System)를 적용하여 부하가 높은 구간에서 부하가 낮은 구간으로 부하를 이전시켜 최대부하를 축소시켜 기본요금을 절감하고, 시간대별 요금이 높은 구간에서 시간대별 요금이 낮은 구간으로 부하를 이전시켜 전기 요금을 절감할 수 있도록 효율적으로 운용하는 방법에 대해 설명한다. 여러 형태의 분산전원과 함께 ESS 스케줄링에 과한 여러 가지 연구가 이루어졌다[1-3].
	전기 요금은 어떤 요금으로 이루어져있는가?	최근 환경 문제의 심각성이 커지면서 제한된 에너지를 효율적 으로 사용하고 그에 따른 이용 요금을 절약하는 것이 중요해졌 다. 전기 요금은 전력량 요금과 계약 용량으로 계산되는 기본요 금으로 이루어진다. 따라서 전기 요금의 최소화에는 이 두 가지 요소를 절감하는 것이 필요하다.
	전력량 요금의 절감을 위한 목적함수 중 ESS PCS 충, 방전 효율이 다른 경우 사용하는 목적함수는?	전력량 요금의 절감을 위한 목적함수는 일차식의 형태로 선형계획법(LP, Linear Programming)의 적용이 적합하다[4]. 그러나, ESS PCS(Power Conversion System) 충, 방전 효율이 다른 경우 등 충방전 상태를 별도로 정의하여 제약 조건에 반영하기 위해서는 정수 형태의 변수를 도입한 목적함수는 혼합정수계획법(MILP, Mixed Integer Linear Programming) 이 적합하며 이에 대한 연구가 수행되었다[5-7]. 또한, 기본요금의 절감을 위한 최적화를 위해 이차계획법(QP, Quadratic Programming)을 사용한 연구가 수행되었다[8].

참고문헌 (11)

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C. Bustos, E. Sauma, S. Torre, J. A. Aguado, J. Contrreras, and D. Pozo, "Energy storage and transmission expansion planning: substitutes or complements?", IET Gener. Transm. Distrib., vol. 12, no. 8, pp. 1738-1746, 2018.

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Jae-Haeng Heo, Seungkwon Shin, Jong-young Park and Hyeongig Kim, "Study on the Optimal Operation of ESS Considering Urban Railway Load Characteristic," Trans. of KIEE, vol. 64, no. 10, pp. 1508-1516, 2015.
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Chakraborty S. Senjyu T. Toyama H. Saber A. Y. and Funabashi T., "Determination methodology for optimising the energy storage size for power system", IET Gener. Transm. Distrib., vol. 3, no. 11, pp. 987-999, 2009.

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Fangqing Gu, Yiu-Ming Cheung, "Self-Organizing Map- Based Weight Design for Decomposition-Based Many-Objective Evolutionary Algorithm," IEEE Trans. on Evolutionary Computation, vol. 22, no. 2, pp. 211-225, 2018.

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