[論文レビュー] Allocation of locally generated electricity in renewable energy communities

Miguel Manuel de Villena, Samy Aittahar+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Smart Grid Energy Management被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、再生可能エネルギーコミュニティ（RECs）における局所的発電の割り当てを、電気料金を最小化する再分配キーを用いて、事後最適化フレームワークとして提案する。この手法は、物理的配電後の余剰発電の最適な財務的配分を計算し、自己満足率に基づく収益分配と初期キー制約を導入することで、経済的公平性と安定性を向上させ、テストされたシナリオすべてで全メンバーのコスト削減を実現する。

ABSTRACT

Local electricity markets represent a way of supplementing traditional retailing contracts for end consumers -- among these markets, the renewable energy community has gained momentum over the last few years. This paper proposes a practical and readily to be adopted modelling solution for these communities, one that allows their members to share the economic benefits derived from them. The proposed solution relies on an \\emph{ex-post} allocation of the electricity that is generated within energy communities (i.e., local electricity) based on the optimisation of \\emph{repartition keys}. Repartition keys are therefore optimally computed to represent the proportion of total local electricity to be allocated to each community member, and aim to minimise the sum of electricity bills of all community members. Since the optimisation takes place \\emph{ex-post} the repartition keys do not modify the actual electricity flows, but rather the financial flows of the community members. Then, the billing process of the community will take these keys into account to correctly send the electricity bills to each member. Building on this concept, we also introduce two additions to the basic algorithm to enhance the stability of the community, which a global bill minimisation may fail to ensure (e.g., very asymmetrical solutions between members may lead to some of them opting out).

研究の動機と目的

• 再生可能エネルギーコミュニティ（RECs）における内部電力取引の明確な規制的・運用的フレームワークの欠如に取り組むこと、特にEU脱炭素化政策の拡大を背景にしている。
• RECマネージャーが、メンバー間で公平かつ経済的に局所的発電を割り当てられる、実用的で実装可能な解決策を提供すること。
• 参加前段階で収益分配メカニズムと最低収益保証を導入することで、経済的持続可能性とメンバーの安定性を確保すること。
• 物理的電力フローの維持を前提に、実際の電力供給後に実行される「事後」モデルを構築することで、物理的グリッドの整合性を保ちつつ財務決済を最適化すること。
• 内部取引価格が小売購入価格と販売価格の間にある場合、REC形成が全メンバーの電気料金を削減できることを示すこと。

提案手法

• 全RECメンバーの電気料金総額を最小化する最適な再分配キーを計算するための線形計画法最適化問題を定式化する。
• 消費（Ct,i）および発電（Pt,i）の実際の歴史的データを用い、物理的配電に基づいて事後的割り当てを計算する。
• 自己満足率（ssri）をパフォーマンス指標および制約として導入し、メンバー間での局所的発電の公平な分配を保証する。
• 初期再分配キー（Kt,i）を最適化のベースラインとし、最小収益期待を満たすために最大偏差許容範囲（Xt,i）の制約を設ける。
• 財務フローを2つの要素としてモデル化する：(i) 最適化された再分配キーに基づくRECへの一括支払い、および (ii) ネット電力需要に対する従来の小売契約。
• 内部取引価格（ξl−i, ξl+i）が小売購入価格（ξb i）と販売価格（ξs i）の間にあることを制約に含め、経済的妥当性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的グリッドフローを損なわずに、RECsにおける局所的発電を最適に割り当てることで、全メンバーの電気料金総額を最小化する方法は何か？
• RQ2 自己満足率は、収益分配の公平性を確保し、RECの安定性を向上させる役割を果たすか？
• RQ3 初期再分配キーは、最低収益保証を提供し、潜在的RECメンバーの不確実性を低減するためにどのように活用できるか？
• RQ4 キーの偏差許容範囲を緩和することで、コスト削減と割り当て効率がどの程度向上するか？
• RQ5 提案手法は、実世界のREC展開において実用的かつスケーラブルに実装可能か？

主な発見

• 提案された再分配キー最適化により、全テストシナリオでRECメンバー全員の電気料金が削減され、REC形成の経済的利点が実証された。
• 自己満足率は、需要カバレッジに応じた割合配分を保証することで、収益分配を効果的に可能にする。
• 平均歴史的需要に基づく比例的初期キーは、小売料金がメンバー間で類似している場合に特に安定的で実用的なベースラインを提供する。
• キーの偏差許容範囲を拡大することで、より良いコスト最適化が可能となり、均一な初期キーから出発する場合に顕著な改善が見られた。
• 初期キーと偏差制約の導入により、潜在的メンバーの不確実性が顕著に低減され、コミュニティの安定性と参加意欲の向上が見られた。
• 本手法は実世界の産業応用でも検証されており、REC管理における実用性とスケーラビリティが確認された。