[論文レビュー] Carbon-Aware Optimal Power Flow

Xin Chen, Andy Sun+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2023

Optimal Power Flow DistributionEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、従来の最適潮流（OPF）に炭素フローのモデリングを統合することで、電力と炭素排出を同時に最適化する新しいフレームワーク、炭素認識最適潮流（C-OPF）を提案する。ノードごとの炭素インテンシティ制約とエネルギー貯蔵の炭素会計を組み込むことで、C-OPFは発電をよりクリーンな源にシフトさせることで炭素排出を削減し、標準OPFと比較して排出原単位は30％削減、コストは65％増加する。

ABSTRACT

To facilitate effective decarbonization of the electric power sector, this paper introduces the generic Carbon-aware Optimal Power Flow (C-OPF) method for power system decision-making that considers demand-side carbon accounting and emission management. Built upon the classic optimal power flow (OPF) model, the C-OPF method incorporates carbon emission flow equations and constraints, as well as carbon-related objectives, to jointly optimize power flow and carbon flow. In particular, this paper establishes the feasibility and solution uniqueness of the carbon emission flow equations, and proposes modeling and linearization techniques to address the issues of undetermined power flow directions and bilinear terms in the C-OPF model. Additionally, two novel carbon emission models, together with the carbon accounting schemes, for energy storage systems are developed and integrated into the C-OPF model. Numerical simulations demonstrate the characteristics and effectiveness of the C-OPF method, in comparison with OPF solutions.

研究の動機と目的

• 需要側の炭素会計を電力システム意思決定に統合する理論的フレームワークの構築を目的とする。
• 平均排出係数や市場ベースの帰属の限界を克服し、電力ネットワークを通じた物理的炭素フローをモデリングすることを目的とする。
• ノードごとの炭素インテンシティが規制上限内に保たれる炭素制約付き経済的発電指令を可能にする。
• エネルギー貯蔵システムを仮想炭素貯蔵と内部排出インテンシティを反映させる形でモデリングし、正確な炭素会計を実現する。
• C-OPFが運用コストのバランスを保ちながら炭素排出をどの程度削減できるかを実証すること。

提案手法

• 電力網を通じた炭素排出の物理的伝達をモデリングするため、古典的OPFに炭素フロー方程式とノード炭素インテンシティ制約を拡張する。
• 炭素フロー行列の逆行列可能性を確立することで、炭素フローモデリングにおける未定義の電力フロー方向の問題を解消する。
• 炭素と電力フローの相互作用に起因する双線形項を扱うための線形化技術を開発する。
• エネルギー貯蔵システムのための2つの新規炭素排出モデルを導入する：『水槽モデル』と『エネルギーモデル』。これらは仮想炭素貯蔵と内部排出インテンシティを捉える。
• 負荷バスにおけるノード炭素インテンシティを上限で制限する炭素フロー制約を実装し、需要側の適合性を保証する。
• 混合整数二次錐計画法（MISOCP）の定式化を用いてC-OPFモデルを解き、ソルバにGurobiを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電力網の物理的電力フローとネットワークトポロジーに基づいて、発電からの炭素排出を電力消費者に正確に帰属づける方法は何か？
• RQ2 未定義の電力フロー方向を伴う場合でも、電力システムにおける炭素フローのモデリングと解法を可能にする数学的構造は何か？
• RQ3 エネルギー貯蔵システムを、炭素フローおよび仮想炭素貯蔵への影響を反映させる形でどのようにモデリングできるか？
• RQ4 C-OPFは、運用の可能性とコスト効率を維持した上で、どの程度炭素排出を削減できるか？
• RQ5 現実のシステム制約下で、C-OPFは標準OPFと比較して炭素インテンシティ、排出量、運用コストの観点でどの程度異なるか？

主な発見

• C-OPFは、全時間ステップにおいてすべての負荷ノードでノード炭素インテンシティを1.2 lbs/kWhの上限以下に維持し、炭素制限の遵守を確実にした。
• C-OPFに基づく発電指令により、標準OPFと比較して帰属炭素排出（スコープ2）が約30％削減されたが、総発電コストは15％増加した。
• C-OPFベースの経済的発電指令の運用コストは12,603.6kドルであり、OPFの10,802.8kドルと比較して16.7％のコスト増加が生じた。これは、クリーンだが高価な天然ガス発電の使用増加に起因する。
• C-OPFでは石炭発電が顕著に削減された一方で、再生可能エネルギー発電は遮断なしに完全に活用された。これは、効果的な脱炭素化を示している。
• ノード38に設置されたエネルギー貯蔵システムは、エネルギーの貯蔵と仮想炭素排出の貯蔵を連携して行い、充電時には仮想炭素排出が増加し、放電時には減少した。
• C-OPFモデルは、運用コストと炭素排出の物理的に意味のあるトレードオフを達成し、炭素認識型グリッド運用の実現可能性を示した。