[論文レビュー] Corrective dispatch of uncertain energy resources using chance-constrained receding horizon control

Mahraz Amini, Mads Almassalkhi|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2018

Smart Grid Energy Management参考文献 6被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、運用リスクと設定値からの逸脱を同時に最適化することで、不確実性を伴うエネルギー制約付き分散エネルギー資源（DER）を最適に配分する、リスクベースのチャンス制約付きモデル予測制御（RB-CC-MPC）フレームワークを提案する。この手法により、状態電荷と容量推定値の不確実性下でも、分単位のタイムスケールで仮想的エネルギー貯蔵のロバストかつリアルタイムな調整が可能となり、IEEE RTS-96ネットワークにおける予期しない発電機の参加を低減し、再生可能エネルギーの変動のバランスを改善する。

ABSTRACT

To optimally dispatch uncertain, energy-constrained reserves, model predictive control offers a viable tool to develop an appropriate trade-off between closed-loop performance and robustness of the dispatch. Therefore, this paper investigates the uncertainty associated with energy-constrained aggregations of flexible distributed energy resources (DERs). The uncertainty studied herein is associated with estimating the capacity of and the estimated state of charge from an aggregation of DERs. To that effect, a risk-based chance constrained MPC (RB-CC-MPC) is developed that co-optimizes the operational risk of prematurely saturating the (virtual) energy storage against deviating generators from their scheduled set-point. On a fast minutely timescale, the RB-CC-MPC coordinates energy-constrained virtual resources to minimize unscheduled participation of and overcome ramp-rate limited generators for balancing variability from renewable generation, while taking into account grid conditions. To illustrate the effectiveness of the proposed method, simulation-based analysis is carried out on an augmented IEEE RTS-96 network with uncertain energy resources.

研究の動機と目的

• 容量と状態電荷推定値の不確実性を伴う、エネルギー制約付きで柔軟性のある分散エネルギー資源（DER）のディスパッチに直面する課題に対処する。
• 再生可能エネルギー発電の変動に起因する、出力変化率制限付き発電機の予期しない参加を低減する。
• 仮想的エネルギー貯蔵の過剰充填（早期飽和）に対するロバストネスと、スケジュールされた設定値からの逸脱の両者をバランスさせる。
• 電力系統の状態を尊重しながら、リアルタイムかつ高速タイムスケール（分単位）での仮想リソースの調整を可能にする。
• DER集約における不確実性を定量的に管理できるリスクベースの制御フレームワークを開発する。

提案手法

• 仮想貯蔵の過充填と発電機の逸脱に関する確率的制約を扱うため、チャンス制約付きモデル予測制御（MPC）フレームワークを定式化する。
• 2つの目的を同時に最適化する：仮想的エネルギー貯蔵の早期枯渇または過負荷のリスクを最小化し、スケジュールされた発電機の設定値からの逸脱を最小化する。
• DER集約の状態電荷と利用可能容量の確率的推定値を用いて不確実性をモデル化する。
• 更新された予測値と測定値に基づいて制御行動を継続的に更新するリコイルホライズン制御戦略を適用する。
• 最適化に電力系統制約を組み込み、安全かつ安定した運用を保証する。
• 制約が所定の確率（例：95%）で満たされるリスクベースの定式化を採用することで、性能とロバストネスのトレードオフを可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不確実なDER集約において、仮想的エネルギー貯蔵の過充填に起因する運用リスクと設定値からの逸脱をどのように同時に最適化できるか。
• RQ2 チャンス制約付きMPCは、再生可能エネルギーの変動に応じた予期しない発電機参加をどの程度低減できるか。
• RQ3 状態電荷と容量推定値の不確実性下でも、提案されたRB-CC-MPCフレームワークはシステムの安全性と性能をどのように維持するか。
• RQ4 チャンス制約付き定式化は、ディスパッチ戦略のロバストネスと閉ループ性能にどのような影響を及ぼすか。
• RQ5 本手法は、現実的な電力ネットワークにおいて、高速で分単位のタイムスケールでエネルギー制約付き仮想リソースを効果的に調整できるか。

主な発見

• RB-CC-MPCフレームワークは、仮想的エネルギー貯蔵容量を能動的に管理することで、出力変化率制限付き発電機の予期しない参加を著しく低減した。
• 本手法は、仮想的貯蔵制限などの運用制約を高い確率で満たす一方で、スケジュールされた設定値からの逸脱を最小限に抑えることができた。
• 拡張されたIEEE RTS-96ネットワークを用いたシミュレーション結果から、再生可能エネルギーの変動に対する回復力の向上とディスパッチの信頼性の向上が確認された。
• チャンス制約付き定式化により、制約がユーザーが定めた信頼水準（例：95%）で満たされる定量的トレードオフが実現可能となった。
• 本手法は、リアルタイム実装に適した高速で分単位の制御スケールで仮想的エネルギー資源の効果的な調整を可能にした。
• 本手法は、集約されたDERの状態電荷と利用可能容量の両方における不確実性を効果的に処理でき、ディスパッチの正確性と信頼性が向上した。