To satisfy growing demand for higher energy efficiency, reduced greenhouse emissions, and im-proved power quality and reliability, a new concept of next generation electric power grid is envisioned to be a smart grid architecture. Moreover, to manage and operate such a complex infrastructure more efficiently, micro-grids which are composed of building block have emerged as a promising platform. In micro-grids, to alleviating overload on the main grid, the micro-grids should supply energy to their geographical areas without reliance on the main grid. However, because the generation of renewable energy sources used in micro-grids is generally unstable in terms of energy generation, it is difficult to balance energy generation by renewable sources and local demands while at the same time fully utility the capacity of renewable energy sources. Therefore, when some micro-grids have a superfluous energy while others require more energy, it is beneficial for trading energy each other. In this sense, energy trading in micro-grids is considered as a promising mecha-nism.
In this thesis, we propose an incentive based efficient energy trading mechanism among micro-grids. In order to do that, at a given time interval, each micro-grids can be an energy provider or a consumer depending on the status of generation or demand of energy. Under the trading mechanism, there is a distributer who gathers the superfluous energy from providers and distributes it to their consumers based on their historical incentive. Before start to trade energy each other, the distributer decide on the incentive scheme and notify it to providers depending on the difference between superfluous energy and required energy. Based on this incentive scheme, provider decides on how much superfluous energy will trade to distributer while others store in their energy storage system to maximize their satisfaction. We show that efficient energy trading ratio based on well-defined utility function. Moreover, we compare proposed scheme with conventional price based scheme in terms of energy trading ratio and based on efficient energy trading ratio, we analysis normalized main-grid energy supply to evaluate main-grid overhead. Numerical results show that proposed scheme reduce normalized main-grid energy supply maximum 60% compared to the conventional price based energy trading scheme in energy shortage case.
기존의 전력을 관리하던 파워 그리드에서 보다 높은 에너지 효율, 온실 가스 배출의 감소 및 향상된 파워 품질과 안정성을 확보하는 것에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데, 다음 세대의 전력 그리드는 스마트 그리드 형태의 새로운 컨셉으로 바뀌는 것에 기대가 높아지고 있다. 게다가, 복잡한 인프라 구조를 보다 효율적으로 관리하고 동작 시키기 위해, 여러 빌딩 블록으로 구성된 마이크로 그리드는 유망 받는 플랫폼으로 발생하게 되었다. 메인 그리드의 오버헤드를 줄이기 위해 마이크로 그리드는 메인 그리드에 의존하지 않고, 자신의 속해있는 지리적인 지역의 에너지 수요를 충족시켜야 할 필요가 있게 되었다. 그러나 이러한 마이크로 그리드의 주요 에너지 생산원인 신 재생 에너지는 매우 불안정하며, 에너지 생산량의 편차가 크므로, 마이크로 그리드가 에너지 생산량에 따라 잉여 에너지를 갖게 될 경우나 혹은 에너지가 부족한 경우가 발생하게 될 때, 마이크로 그리드 간의 에너지를 서로 거래 하는 것이 마이크로 그리드를 안정적으로 관리하는데 매우 효과적인 방법이 될 수 있다. 이러한 점으로 인해, 마이크로 그리드 간의 에너지를 서로 거래하는 기술에 대한 관심이 높아지게 되었다.
본 학위 논문에서는, 기존에 많이 연구된 가격 기반의 거래를 벗어나, 마이크로 그리드 간에 인센티브 기반의 에너지 거래 방법을 제안하였다. 이는 기존에 가격 기반으로 에너지를 거래하는데 있어 발생하는 문제점들을 해결하고, 가격 기반에선 고려할 수 없었던 마이크로 그리드 내의 에너지 생산과 요청에 관한 상황을 파악하여 보다 효율적으로 에너지를 관리하기 위함이다. 이를 위해, 거래가 이루어지는 특정 고정된 시간에 각각의 마이크로 그리드는 자신의 에너지 생산량과 에너지 소비량에 따라 잉여 에너지를 갖고 있는 공급자가 되거나, 추가적인 에너지가 더 필요한 수요자가 되게 된다. 또한, 이러한 거래 메커니즘 하에서, 분배자가 존재하는데 이는 앞에서 언급한 공급자의 잉여 에너지와 수요자의 요구되는 에너지에 대한 정보를 모은 후, 공급자가 거래하게 되는 에너지를 분배자의 에너지 저장 시설에 저장할 수 있으며, 이를 수요자에게 적절하게 분배하는 역할을 하게 된다. 분배자는 거래가 시작되기 직전, 공급자와 수요자로부터 온 에너지 정보를 바탕으로 인센티브 기법을 선택하게 되고, 공급자가 효과적으로 에너지 거래를 할 수 있도록 이러한 정보를 공급자에게 제공하게 된다. 분배자로부터 얻은 인센티브 기법에 대한 정보를 바탕으로, 공급자는 자신이 에너지를 거래하게 될 때 발생하는 만족도와 에너지를 자신의 저장시설에 저장하게 될 때의 만족도를 고려하여 만족도를 극대화 시킬 수 있도록 잉여 에너지 중 일부를 분배자에게 거래하게 되고, 나머지 에너지는 자신의 에너지 저장 시설에 저장하게 된다. 또한 수요자는 앞서 거래된 에너지를 바탕으로 자신의 부족한 에너지 중 일부 혹은 전체를 받게 되고, 이를 바탕으로 수요자의 에너지 요구가 얼마나 충족 되었는지 확인한 후, 메인 그리드로부터 충족되지 않은 나머지 부분을 공급받게 된다.
앞서 언급한 만족도에 영향을 주는 두 가지 항목을 바탕으로 유틸리티 함수를 수식화 한 후, 이를 바탕으로 마이크로 그리드의 에너지 상황에 맞춰 공급자의 만족도를 최대로 만들 수 있는 에너지 거래 비율을 찾을 수 있고, 이를 기존의 가격 기반과 비교하여 분석 할 수 있다. 또한, 이를 바탕으로 메인 그리드에서 수요자의 부족한 에너지를 충족시키는 양을 통해 성능을 분석할 수 있다. 제안된 기법을 통해 에너지가 부족한 상황에서 공급자들이 기존의 기법보다 많은 비율의 에너지를 거래 하게 됨을 알 수 있고, 이를 바탕으로 수요자가 메인 그리드에서 에너지를 공급받는 비율이 최대 60% 감소함을 수학적 분석을 통해 알 수 있다.
