[論文レビュー] Aggregate Power Flexibility in Unbalanced Distribution Systems

Xin Chen, Emiliano Dall’Anese+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2018

Smart Grid Energy Management参考文献 25被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、配電系統の非平衡三相系における集約的電力柔軟性をモデル化・定量する手法を提案する。系統変電所におけるネット電力注入の近似可能領域を導出することで、その領域内に存在する任意の軌道が、分散型エネルギー資源（DER）に分配可能であることを保証する。この手法は凸緩和と分散型モデル予測制御（MPC）を活用し、ネットワーク制約および多相非平衡モデル化のもとで、スケーラブルで安全かつ協調的な送電・配電連携を実現する。

ABSTRACT

With a large-scale integration of distributed energy resources (DERs), distribution systems are expected to be capable of providing capacity support for the transmission grid. To effectively harness the collective flexibility from massive DER devices, this paper studies distribution-level power aggregation strategies for transmission-distribution interaction. In particular, this paper proposes a method to model and quantify the aggregate power flexibility, i.e., the net power injection achievable at the substation, in unbalanced distribution systems over time. Incorporating the network constraints and multi-phase unbalanced modeling, the proposed method obtains an effective approximate feasible region of the net power injection. For any aggregate power trajectory within this region, it is proved that there exists a feasible disaggregation solution. In addition, a distributed model predictive control (MPC) framework is developed for the practical implementation of the transmission-distribution interaction. At last, we demonstrate the performances of the proposed method via numerical tests on a real-world distribution feeder with 126 multi-phase nodes.

研究の動機と目的

• 送電系統運用への能動的参加を可能にするために、非平衡配電系統における大規模かつ多様な分散型エネルギー資源（DER）の連携に取り組む。
• ネットワーク制約および三相非平衡潮流を考慮した、変電所におけるネット電力注入の近似可能領域として、配電系統の集約的電力柔軟性を定量する。
• 導出された可能領域内に存在する任意の集約的電力軌道が、太陽光発電（PV）、蓄電池、制御可能負荷を含む個々のDERの実行可能配分に分解可能であることを保証する。
• 送電・配電連携の実用的・リアルタイム実装を可能にする分散型モデル予測制御（MPC）フレームワークを開発する。
• 実世界の126ノード・マルチフェーズ配電系統で本手法を検証し、現実的な運用制約下でのスケーラビリティと実現可能性を示す。

提案手法

• 電圧・線路電流制限などのネットワーク制約（電圧、線路電流上限）、DER能力（PV、蓄電池、制御可能負荷）およびHVAC温度動的特性を組み込んだ、多期間・三相最適潮流モデルを定式化する。
• AC潮流方程式に対して凸緩和を適用し、非凸で非線形な制約を凸化することで、集約的柔軟性領域の計算を容易に可能にする。
• 変電所におけるすべての実行可能ネット有効電力注入を表す集約的電力柔軟性領域を定義し、2つの別個最適化問題を解くことで下限および上限の軌道を導出する。
• 2つの極端な実行可能軌道（下限および上限）のアフィン結合を用いて凸可能領域を構築し、中間点の凸性および実行可能性を保証する。
• グローバルなシステム制約を満たしながら、局所的最適化サブプロブレムを解くことで、リアルタイムでのDER連携を可能にする分散型MPCフレームワークを導入する。
• ネットワーク制約に対して時間分解離散化を適用し、エネルギー貯蔵の状態充電量やHVAC温度制限などの時間結合制約に対しては、再帰的実行可能性とホライズン全体での制約満足を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワーク制約および多相非平衡運転を考慮した非平衡三相配電系統における集約的電力柔軟性は、どのように定量的・モデル化可能か？
• RQ2 その領域内に存在する任意の軌道が、実行可能な個別DER配分に分解可能であることを保証する、変電所におけるネット電力注入の可能領域の構造は何か？
• RQ3 システムの安全性および運用制限を満たしながら、リアルタイムかつスケーラブルに多様なDERを連携可能にする分散型最適化フレームワークは、どのように設計可能か？
• RQ4 本手法は、導出された可能領域内に存在する任意の集約的電力軌道が、個々のDERに分配可能であることをどのように保証するか？
• RQ5 本手法は、実世界の非平衡配電系統において、実現可能性、スケーラビリティ、計算の取り扱いやすさという観点で、どのように性能を発揮するか？

主な発見

• 提案手法は、変電所におけるネット有効電力注入の凸的で近似可能な可能領域を構築し、この領域内に存在する任意の軌道が、個々のDERの実行可能配分に分解可能であることを保証する。
• 2つの極端な実行可能解（下限および上限）の凸結合により、任意の中間集約的軌道の実行可能性が証明され、すべてのネットワークおよび装置制約が満たされることを保証する。
• 凸緩和とアフィンパrameterizationを用いることで、エネルギー貯蔵の状態充電量制限やHVAC温度制限などの時間結合制約が保証される。
• 実世界の126ノード・マルチフェーズ配電系統を用いた数値実験により、本手法が複雑な非平衡系ダイナミクスを処理でき、多様な運用シナリオにおいても実行可能性を維持できることを示した。
• 分散型MPCフレームワークにより、すべてのシステム変数の集中的知識を必要とせず、スケーラブルかつリアルタイムでのDER連携が可能となり、プライバシーおよび計算効率が向上した。
• 本手法は、非平衡系における多様なDER（PV、蓄電池、制御可能負荷、HVAC）の集約的柔軟性を効果的に捉え、送電系統運用への能動的参加を可能にする。