재생에너지 변동성과 독립적인 이해관계자들의 상충하는 경제적 목표는 유연 통합 에너지 시스템(FIES) 운영에 물리적, 시장적 어려움을 동시에 야기합니다. 본 논문은 이러한 문제를 해결하기 위해 전기 및 열 에너지 저장장치의 시간적 유연성을 통합한 시장-물리 결합 스택켈버그 게임 기반의 협력적 운영 프레임워크를 개발했습니다.
통합 에너지 운영자(IEO)는 리더로서 내부 전기 및 열 구매/판매 가격을 결정하고, 다중 에너지 열병합 시스템(MECS) 운영자와 부하 통합자는 팔로워로서 각각 발전-저장 스케줄 및 수요 반응 결정을 독립적으로 최적화합니다. 부하 통합자 반응은 2차 계획 문제로, MECS 측 문제는 이진 저장 상태 변수 때문에 혼합 정수 2차 계획 문제로 공식화됩니다. 수치적 스택켈버그 평형 해를 얻기 위해 중첩된 차분 진화-CPLEX 솔루션 프레임워크를 사용했습니다.
24시간 전형적인 겨울철 사례 연구는 제안된 전략의 효과를 입증합니다. 최대 전력 부하는 1845kW에서 1515kW로 17.89% 감소했으며, 피크-밸리 차이는 45.26% 감소했습니다. 총 사용자 에너지 구매 비용은 8.56% 감소했습니다. 외부 전력망으로부터의 총 전력 구매량은 15.61% 증가했음에도 불구하고, 관련 구매 비용은 30.98% 감소하여, 협력 전략이 단순히 전력망 수입을 최소화하기보다는 저가 시간대로 거래를 재구성함을 보여줍니다.
저장장치 없음 및 수요 반응 없음 벤치마크 사례와의 비교 시뮬레이션은 이중 저장장치 유연성과 수요 반응이 다중 에이전트의 경제적 성능에 상호 보완적으로 기여함을 추가로 확인합니다. 또한, 재생에너지 curtailment율은 6.51%에서 0%로 감소했습니다.
경제 성장과 전력 기술 및 수요 패턴 변화에 따라 전력 부문의 규모, 중요성, 복잡성이 전 세계적으로 증가하고 있습니다. 특히 새로운 성장 산업과 가변 재생에너지 기술의 확산은 전력 수요 및 공급의 시간적 프로파일에 큰 변동성을 야기할 수 있습니다. 이러한 맥락에서 모듈형의 유연한 전력 저장 기술의 등장은 전력 시스템의 구조와 운영에 지대한 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.
본 연구는 다중 부문 동적 모델의 한계를 보완하기 위해 GCAM-USA(Global Change Analysis Model-USA)의 전력 부문 동학에 계통 기반 전력 저장장치 투자 및 운영을 통합하는 방법론을 제시합니다.
분석 결과, 미국 전력 시스템에서 저장 기술이 미래에 중요한 역할을 할 수 있음을 확인했습니다. 다양한 기술-경제 시나리오에서 2050년에는 196.1~372.4 GW(전체 용량의 5.0~10.6%), 2100년에는 352.1~802.6 GW(6.0~9.0%)의 저장 용량이 필요할 것으로 예측됩니다.
저장장치는 진화하는 전력 수요와 높은 비중의 가변 재생에너지 도입으로 발생하는 잔여 부하의 변동성을 완화하는 데 기여합니다. 이는 고비용 피크 발전기 의존도를 줄이고, 기저 부하 기술의 활용도를 높이며, 시스템 전반의 용량 계수를 향상시키고, 재생에너지 발전의 출력 제한을 줄이는 효과를 가져옵니다.
에너지 저장 기술의 발전으로 이종 저장장치를 갖춘 사용자 측이 보편화됨에 따라, 지역 통합 에너지 시스템(CIES) 내 다양한 사용자 간 이종 에너지 공유를 통해 에너지 활용 효율을 높이고 비용을 절감하는 문제가 중요해졌습니다. 본 연구는 이러한 문제 해결을 위해 하이브리드 게임 이론 기반의 CIES 최적 에너지 활용 방법을 제안하고, 최적 에너지 전략을 탐색했습니다.
제안된 방법론에서는 참여자 간의 게임 특성에 맞춰 상이한 게임 모델을 적용했습니다. 또한, 합리적인 협력 이익 배분을 위해 비선형 에너지 매핑 함수 기반의 비대칭 협상 모델을 구축하여 각 참여자의 기여도를 정량화했습니다.
사례 연구를 통해 CIES 내 다양한 참여자들의 에너지 활용 전략을 분석한 결과, 다중 부하 통합자(MLA)의 총 비용이 19.70% 감소했으며, 특히 CIES 운영자로부터 구매하는 전력 및 열 비용이 각각 21.71%, 16.93% 줄어들었습니다.
이는 이종 에너지 저장장치를 가진 부하 통합자(LA) 간의 에너지 공유가 에너지 관리의 시공간적 최적화를 효과적으로 실현할 수 있음을 시사합니다. 본 연구는 CIES의 에너지 효율 향상 및 비용 절감에 기여할 수 있는 실질적인 전략을 제시합니다.
