[論文レビュー] Characterizing Curtailed and Uneconomic Renewable Power in the Mid-continent Independent System Operator

Andrew A. Chien, Fan Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2016

Smart Grid Energy Management参考文献 10被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、40か月間の5分間解像度データを用いて、MISO送電網における立ち往未利用の発電（発電の抑制および経済的に価値のない価格）を特徴づけている。立ち往未利用の発電は広範に存在し（99％の時間、平均1 GW以上）、長時間にわたる期間（平均109時間）を示しており、特に高い立ち往未利用発電が生じる地点に集中したエネルギー貯蔵の導入により、その利用効率を著しく向上させられることを示している。ただし、100％の稼働率を達成するには、収益の逓減が顕著になるほどの巨大な貯蔵容量を要する。

ABSTRACT

As power grids incorporate increased renewable generation such as wind and solar, their variability creates growing challenges for grid stability and efficiency. We study two facets: power the grid is unable to accept (curtailment), and power that is assigned zero economic value by the grid (negative or zero price). Collectively we term these "stranded power" or SP. We study stranded power in the Midcontinent Independent System Operator (MISO), characterizing quantity and temporal structure. First, stranded power is available in the MISO grid 99% of the time, and often in intervals >100 hours, with characteristic seasonal and time-of-day patterns. Average stranded power often exceeds 1 GW, with duty factors as high as 30%. About 30% of all wind generation in MISO is stranded. Examination of the top 10 individual sites shows stranded power can be as high as 70% duty factor and 250MW. Trends over the past 3.5 years suggest stranded power is a persistent phenomenon. The study characterizes opportunities to exploit stranded power. We consider using energy storage to increase the utility of stranded power. For a range of power levels and uniformly-distributed storage, adding 5 hours of storage doubles duty factor to 30% at 4MW, but another 95 hours is required for the next 15% increase. At 4MW with 50 hours of storage, only 3 of 200 sites reach 100% duty factor, and with 100 hours required for the next 10 sites. Higher power levels require 100's of hours. Storage at the top 10 sites is more productive, 5 hours increases duty factor to 70% at 4MW, but further storage has diminishing benefits. Studies of the amount of power served by storage show that distribution to the best sites provides 2 to 3.7-fold advantages over uniform distribution.

研究の動機と目的

• MISO送電網における立ち往未利用の発電（発電が抑制されたり、経済的に価値がないとされる）の時間的・空間的特性を理解すること。
• 3.5年間の期間にわたる立ち往未利用発電の規模、継続期間、パターンを定量的に評価し、その持続性とスケーラビリティを検証すること。
• 特に現地に特化した展開戦略を用いた場合に、エネルギー貯蔵が立ち往未利用発電の利用可能性をどの程度向上させるかを評価すること。
• データセンターのワークロードなど、需要側の負荷シフトの機会を同定し、立ち往未利用発電リソースを活用すること。
• 高水準の再生可能エネルギー統合に伴う課題と機会を定量的に把握することで、将来的な送電網計画および再生可能エネルギー統合を支援すること。

提案手法

• 5分間解像度のMISO市場データ（潜在的発電量（eco_max）、実際の承認発電量、ロケーションマージナルプライシング（LMP）を含む）を40か月分分析。
• 「立ち往未利用発電（SP）」を、抑制された発電量と、ゼロまたは負の経済的価値が割り当てられた発電量（マイナスLMP）の合計として定義。
• 各発電所の発電が立ち往未利用となる時間の割合（ドライビングファクター）を計算し、季節および時間帯ごとの時間的パターンを分析。
• 各発電所に電力およびエネルギー容量パrameterを用いたエネルギー貯蔵の導入をモデル化し、貯蔵が利用可能な発電時間の増加を模擬。
• 全発電所に均等に貯蔵を配置する戦略と、上位10か所の高立ち往未利用発電地点に集中配置する戦略を比較し、効率的向上を評価。
• 統計的分析を用いて、立ち往未利用発電の継続期間、頻度、規模を特徴づけ、平均、標準偏差、最大継続期間を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MISO送電網における立ち往未利用発電はどの程度広範に存在し、時間的・継続的特性を示しているか。また、その特徴的な継続期間と季節的パターンは何か。
• RQ2 MISOにおける立ち往未利用発電の年間総量はどの程度か。また、風力発電所ごとに時間的変動はどのように変化するか。
• RQ3 エネルギー貯蔵は立ち往未利用発電の利用可能性をどの程度向上させられるか。これは貯蔵容量、出力レベル、および発電所選定にどのように依存するか。
• RQ4 貯蔵の配置戦略（均等配置対集中配置）が、ドライビングファクターの向上と全体的なシステム効率に与える影響は何か。
• RQ5 現在の貯蔵技術を用いて、立ち往未利用発電の100％に近いドライビングファクターを達成するための経済的・技術的限界は何か。

主な発見

• MISOでは立ち往未利用発電が99％の時間にわたり存在し、平均継続期間は109時間（標準偏差110時間）、最大継続期間は816時間に達する。
• 平均して立ち往未利用発電は1 GWを超える。このレベルでのドライビングファクターは30％であり、MISOの全風力発電の30％が立ち往未利用である。
• 上位10か所の個別発電所では、ドライビングファクターが70％に達し、250 MWの発電量を有する。100％のドライビングファクターを達成するには、4 MW出力で50～100時間の貯蔵が必要となる。
• 4 MW出力で5時間の貯蔵を均等に配置すると、ドライビングファクターが30％に上昇するが、200か所中3か所しか100％のドライビングファクターに達しない。50時間の貯蔵では3か所、100時間では10か所が100％に達する。
• 上位10か所の発電所に貯蔵を集中配置すると、5時間の貯蔵で4 MW出力でドライビングファクターが70％に上昇し、それ以上では収益の逓減が顕著になる。
• 上位5か所の発電所に貯蔵を集中配置すると、均等配置に比べて2～3.7倍の効果的向上が得られ、発電所選定の重要性が顕著に示された。