[論文レビュー] A Transactive Energy Market Framework Considering Network Constraints and Fairness

Fredmar N. Asarias, Michael Angelo A. Pedrasa|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2021

Smart Grid Energy Management参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、全交流最適潮流（AC OPF）と公平性を考慮した利益配分アルゴリズムを統合することで、分散型エネルギー資源（DER）参加者間での公正な利益配分を保証する3段階のトランザクティブエナジー市場フレームワークを提案する。DERのディスpatch、取引価格、ネットワーク制約を統合最適化することで、システム全体の福祉最大化を達成し、特にDER所有者を含むすべての参加者がその貢献度に応じた公正なインcentiveを受け取ることを保証する。IEEE 33バス系統を用いた実装では、顕著なコスト削減とバランスの取れたキャッシュフローが確認された。

ABSTRACT

The continuous penetration of distributed energy resources (DER) in the electric power grid is driving a new paradigm shift towards transactive energy system (TES), an active and more sustainable system characterized by distributed generation and energy exchanges among consumers and producers in the network. This transition, however, comes with challenges such as dealing with the nonlinear and non-convex power flows of the system, determining an optimal transaction price to maximize overall system welfare, and ensuring fairness for all participants. In this paper, we propose a three-stage transactive energy framework that aims to address these challenges. In the first stage, the cost without trading is calculated which will serve as the reference in the profit maximization problem in the next stage. DER dispatch, power flows and initial transaction payments/incentives of the participants will then be determined in the second stage. A benefit allocation algorithm is applied in the third control stage to determine the optimal transaction price and final payments/incentives that will ensure fairness for trading participants. The proposed framework was tested in an IEEE 33-bus system and results show that fair benefits are given for all participants during trading and the system operates within the network and economic constraints.

研究の動機と目的

• 既存のトランザクティブエナジーシステムにおける非線形交流潮流を考慮しないネットワークモデリングと公平性の欠如という問題に対処する。
• DER参加者間で取引されたエネルギー量に応じた公正な利益配分を保証し、小規模または再生可能エネルギーが豊富なプロシューマーの参加意欲を低下させないよう防止する。
• 交流最適潮流（AC OPF）、利益最大化、公平性に基づくインcentive配分を統合する3段階のフレームワークを開発する。
• ネットワーク制約を維持しながら、システム全体の経済的効率と参加者福祉を向上させるというフレームワークの能力を検証する。
• 高密度なDER統合が見込まれる実世界の配電レベルエネルギー取引に適したスケーラブルで、公平かつ経済的に効率的なメカニズムを提供する。

提案手法

• 段階1では、取引なしの基準状態のコストを計算し、以降の段階における利益最大化の基準として用いる。
• 段階2では、交流最適潮流（AC OPF）を用いた連合最適化問題を解き、最適なDERディスパッチ、潮流、初期取引支払い／インcentiveを決定する。
• 段階3では、ナッシュ交渉理論に基づく利益配分アルゴリズムを適用し、公正な取引価格と最終支払いを計算する。これにより、取引されたエネルギー量当たりの利益が均等化される。
• フレームワークは、線形化または緩和された近似を避けるために、非線形かつ非凸なAC OPFモデルを用いて、実際の配電網制約を正確に表現する。
• 利益配分アルゴリズムにより、すべての発電者および消費者間でエネルギー量当たりの利益が均等化され、輸出／輸入エネルギー量およびネットワーク損失を考慮して調整される。
• 本フレームワークは、時間変動する負荷および再生可能エネルギー出力の実際のプロファイルを想定したIEEE 33バス系統でテストされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トランザクティブエナジー市場フレームワークは、交流潮流制約を尊重しつつ、DER参加者間での利益配分の公平性をどのように確保できるか？
• RQ2 完全なAC OPFモデルを用いることと、緩和または線形化されたモデルを用いることの、配電システムにおけるエネルギー取引の正確性と効率性に与える影響は何か？
• RQ3 AC OPF、利益最大化、公平性に基づくインcentive配分を統合する3段階のフレームワークは、システム全体の福祉向上とバランスの取れたキャッシュフローを実現できるか？
• RQ4 利益配分アルゴリズムは、さまざまな時間帯における発電者および消費者のエネルギー取引量当たりの利益にどのように影響を与えるか？
• RQ5 提案されたフレームワークは、全体のエネルギーコストをどの程度低減させ、DER所有者の参加意欲をどの程度向上させられるか？

主な発見

• 提案されたフレームワークにより、高密度なDER出力を持つ参加者を含め、すべての参加者が公正なインcentiveを受け取るようになり、利益配分アルゴリズム適用後、取引エネルギー量当たりの利益が均等化された。
• 時刻t=23において、1,000kWhを超えて輸出する発電者は、それぞれ0.92ドルおよび2.80ドルの利益を得にとどまり、参加意欲の低下を防ぐための公平性メカニズムの必要性が浮き彫りになった。
• 利益配分アルゴリズムを適用した後、すべての発電者および消費者において、取引エネルギー量当たりの利益が均等化され、全時間ステップで公平性が達成された。
• 最適取引価格は、電力会社の販売価格より高く、購入価格より低く設定されており、すべての参加者に相互利益をもたらすことが保証された。
• 最適化プロセスにおいて完全なAC OPFを用いることで、熱制限および電圧プロファイルを含むネットワーク制約が完全に遵守された。
• シミュレーション結果から、参加者の全体的なエネルギーコストが低減し、キャッシュフローがバランスされたことが示され、システム全体の経済的効率の向上が確認された。