[論文レビュー] A Two Level Feedback System Design to Regulation Service Provision

Bowen Zhang, John Baillieul|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2013

Smart Grid Energy Management参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、再生可能エネルギーの導入率が極めて高い電力系において、リアルタイムの調節サービス供給を実現する二段階フィードバック制御システムを提案する。このシステムにより、独立系システムオペレータ（ISO）は、二重層フィードバックループを通じて、建物内の制御負荷に対して最適な調節信号を配分可能となる。下位層の制御器はISOの指令を正確に追従し、上位層の情報フィードバックにより、ISOは二次計画法（QP）を用いてスピンニング予備を最小化できる。主な成果は、必要なスピンニング予備が50%削減され、急加速信号に対しても優れた応答を示すことである。

ABSTRACT

Demand side management has gained increasing importance as the penetration of renewable energy grows. Based on a Markov jump process modelling of a group of thermostatic loads, this paper proposes a two level feedback system design between the independent system operator (ISO) and the regulation service provider such that two objectives are achieved: (1) the ISO can optimally dispatch regulation signals to multiple providers in real time in order to reduce the requirement for expensive spinning reserves, and (2) each regulation provider can control its thermostatic loads to respond the ISO signal. It is also shown that the amount of regulation service that can be provided is implicitly restricted by a few fundamental parameters of the provider itself, such as the allowable set point choice and its thermal constant. An interesting finding is that the regulation provider's ability to provide a large amount of long term accumulated regulation and short term signal tracking restrict each other. Simulation results are presented to verify and illustrate the performance of the proposed framework.

研究の動機と目的

• リアルタイム需要応答システムにおいて、ISOと調節サービス提供者との間のフィードバックメカニズムの欠如を解消すること。
• 建物の熱的ダイナミクスと設定値制約に基づいて、調節サービス供与の根本的限界を解析的に特定すること。
• システム効率を向上させるとともに高価なスピンニング予備への依存度を低減する二層フィードバックアーキテクチャを設計すること。
• 全状態情報が入手不可な状況下でも制御性能を向上させるための状態推定用オブザーバーを提案すること。
• シミュレーションを用いたフレームワークの検証を通じて、追従性能の向上と予備要件の低減を示すこと。

提案手法

• 温度とオンオフ状態によって定義される、連続時間・離散状態のマコフ跳躍過程としての制御負荷のモデル化。
• 急加速制約を満たしつつ、ISOの調節信号を高精度で追従できるように、フィードバック線形化を用いた下位層制御器の設計。
• 熱的時定数（τ）と温度利得（Tg）に基づいて、調節容量の解析的上限を導出。長期的および短期的調節能力のトレードオフを示す。
• 建物が自らのリアルタイム応答能力をISOに報告する上位層フィードバックループの実装。これにより、二次計画法（QP）を用いた最適な信号配分が可能となる。
• 測定不能な状態（例：快適帯に近い境界状態）を推定するためのオブザーバーの提案。制御性能のロバストネスを確保する。
• 異なる稼働周期を想定したシミュレーションを用いたシステムの検証。推定誤差の収束と制御分布の改善を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再生可能エネルギーの導入率が高い電力系において、二段階フィードバックシステムはリアルタイム調節サービス供与をどのように改善するか？
• RQ2 制御負荷を有する建物の調節容量に及ぼす、根本的な物理的および運用的制限は何か？
• RQ3 提供者からISOへのフィードバックは、スピンニング予備割り当ての効率をどのように向上させるか？
• RQ4 制御負荷制御において、長期にわたる蓄積調節能力と短期的信号追従性の間にはどのようなトレードオフがあるか？
• RQ5 全状態情報が入手不可な状況下で、オブザーバーに基づく状態推定戦略は、制御誤差低減にどの程度有効か？

主な発見

• 提案された二段階フィードバックシステムにより、非最適化ディスパッチと比較して、必要なスピンニング予備が50%削減され、標準偏差と分散がそれぞれ30%低減された。
• 急加速調節信号（例：15分、30分、35分、40分、50分）の状況下でも、フィードバックなしのシステムに比べて優れた追従性能を達成した。
• オブザーバーは、20分以内に重要な境界状態（例：x_Nおよびx_2N）の推定誤差をほぼゼロにまで低減した。特に短い稼働周期では収束が速かった。
• 短い稼働周期（例：10分）では、誤差収束が20分で達成され、飽和に近い制御信号の分布よりも良好な制御信号分布が得られた。これに対して、長い周期（20分、35分）ではその傾向が弱かった。
• 長期的調節容量と短期的急加速能力の間には根本的なトレードオフがある：大きな熱的時定数（τ）は長期的容量を増加させるが短期的応答性を低下させる。一方、大きな温度利得（Tg）は逆の影響を及ぼす。
• 二次計画法に基づく信号配分により、信号割り当てがゼロ周辺に集中し、全体のシステムコストとボラティリティが低減された。