[論文レビュー] Control of Battery Storage Systems for the Simultaneous Provision of Multiple Services

Emil Namor, Fabrizio Sossan+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 33被引用数 147

ひとこと要約

本論文は、二段階の制御フレームワークを提案し、中電圧母線のディスパッチと一次周波数制御を同時に実行してバッテリ利用を最大化する。560 kWh/720 kVA Li-ion BESSに対するシミュレーションおよび実-scale 実験で検証。

ABSTRACT

In this paper, we propose a control framework for a battery energy storage system to provide simultaneously multiple services to the electrical grid. The objective is to maximise the battery exploitation from these services in the presence of uncertainty (load, stochastic distributed generation, grid frequency). The framework is structured in two phases. In a period-ahead phase, we solve an optimization problem that allocates the battery power and energy budgets to the different services. In the subsequent real-time phase the control set-points for the deployment of such services are calculated separately and superimposed. The control framework is first formulated in a general way and then casted in the problem of providing dispatchability of a medium voltage feeder in conjunction to primary frequency control. The performance of the proposed framework are validated by simulations and real-scale experi- ments, performed with a grid-connected 560 kWh/720 kVA Li-ion battery energy storage system.

研究の動機と目的

• BESSによる複数の電力系統サービスを同時に提供する動機づけと実現を図り、利用率と経済性を向上させる。
• 不確実性下で複数のサービスへ電力とエネルギー予算を割り当てる一般的なスケジューリングフレームワークを開発する。
• 実装が簡単な二層の制御アーキテクチャ（前日オプティマイゼーションとリアルタイム実行）を提案する。
• MV供給線のディスパッチと一次周波数制御（PFR）を提供する適用性を実証する。
• フレームワークの実用展開性を裏付ける実験的検証を提供する。

提案手法

• 期間T内にJサービスへP_jとE_jのサービス予算を割り当てる一般的なスケジューリング問題を定式化する。
• E_init+Σ_j E_j ∈ [E_min,E_max] および Σ_j P_j ∈ [-P_max, P_max] を満たすように、集約エネルギー予算の幅 w(Σ_j E_j) を最大化する。
• 各サービスの予算軌道を区間 P_j,k = [P_j,k^down, P_j,k^up] および E_j,k = [E_j,k^down, E_j,k^up] として定義する。
• 二層の制御を適用する：日次オプティマイゼーションで予算を設定し、リアルタイム制御器が追加的サービス目標を算出してそれらを重ね合わせる。
• 汎用フレームワークをMV給電線のディスパッチと一次周波数制御（PFR）の提供へ特化させ、ディスパッチ予算とPFR予算の定式化、およびPFRのαパラメータを含む。
• 非理想的なBESS性能を反映するために、バッテリ効率と保守的なエネルギー境界を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不確実性の下でエネルギーと電力制約を守りつつ、BESSを同時に複数の電力系サービスを提供するようどのようにスケジューリングできるか？
• RQ2 日前予算編成とリアルタイムの重畳という二層制御方式は、MV給電線を信頼性高くディスパッチし、一次周波数制御を提供できるか？
• RQ3 確率的な給電線需要と周波数偏差が、活用可能なBESS容量とサービス提供に与える影響は何か？
• RQ4 既存の系統資源を用いた実験への適用性と、実用的で測定可能な性能を達成できるか？

主な発見

• 日次オプティマイゼーションは24時間の地平線全体でバッテリ利用を最大化するα^o（PFR係数）とオフセットプロファイルF^oを生み出す。
• 31日間のシミュレーションで平均α^oは216.6 kW/Hz、Δf_max = 200 mHzのとき最大で43 kWのPFRに相当。
• ディスパッチされたエネルギー予算はしばしばディスパッチサービス限界と整合し、予測不確実性に応じてPFRに追加容量を割り当て可能。
• グリッド接続の560 kWh/720 kVA BESSでの日1は584 kW/Hz、日2は127 kW/Hz、平均ディスパッチオフセットはそれぞれ0.84 kWと-0.56 kW。
• 給電線ディスパッチの RMS追従誤差は約0.5 kW、平均約130 kWの給電線負荷に対して良好な追従性能を示す。
• フレームワークは残りのBESS容量を活用してPFRを提供しつつ、実行可能な運用とバッテリ健康制約を維持できる。