[論文レビュー] Cost Allocation for Inertia and Frequency Response Ancillary Services

Carlos Matamala, Luis Badesa+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2023

Smart Grid Energy ManagementEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、発電機および負荷がシステム不安定性に寄与する場合の慣性および周波数応答補助サービス（AS）に向けた、核に基づく費用配分メカニズムを提案している。このメカニズムにより、発電機および負荷間での費用配分が公平に保証される。核は比例配分およびシャープレー値法よりも優れていることが示され、相互補填（クロスサブスィディー）を回避し、市場安定性を維持する。イギリスのグレートブリテン系統を用いた事例研究により、実用的応用が確認された。

ABSTRACT

The reduction in system inertia is creating an important market for frequency-containment Ancillary Services (AS) such as enhanced frequency response (e.g.,~provided by battery storage), traditional primary frequency response and inertia itself. This market presents an important difference with the energy-only market: while the need for energy production is driven by the demand from consumers, frequency-containment AS are procured because of the need to deal with the largest generation/demand loss in the system (or smaller losses that could potentially compromise frequency stability). Thus, a question that arises is: who should pay for frequency-containment AS? In this work, we propose a cost-allocation methodology based on the nucleolus concept, in order to distribute the total payments for frequency-containment AS among all generators or loads that create the need for these services. It is shown that this method complies with necessary properties for the AS market, such as avoidance of cross-subsidies and maintaining players in this cooperative game. Finally, we demonstrate its practical applicability through a case study for the Great Britain power system, while comparing its performance with two alternative mechanisms, namely proportional and Shapley value cost allocation.

研究の動機と目的

• 再生可能エネルギーの統合に伴い系統慣性が低下する中で、周波数抑制補助サービス（AS）の費用配分に公正性を求める需要の増大に対処する。
• 既存の比例配分法に起因する相互補填の問題を特定・解決し、特定の発電機または負荷が不公正に負担を強いられる状況を回避する。
• ASの需要を生じさせる市場参加者が、一貫性があり安定した費用配分メカニズムによって責任を負う仕組みを確保する。
• 共同ゲーム理論的手法（特に核、シャープレー値、比例配分）が、実際の電力系統応用に実用的に適用可能であることを実証する。
• システム統合コストを発電所計画に内生化することで、将来の投資意思決定のためのフレームワークを提供し、グリッド支援技術の促進を図る。

提案手法

• 発電機、負荷、蓄電設備といったプレーヤーが周波数制御サービスの必要性に貢献する共同ゲームとして、AS費用配分問題を定式化する。
• 共同ゲーム理論における核の概念を適用し、公平性、効率性、安定性の性質を満たす形で、全AS費用を配分する。
• 周波数セキュリティのシステムワイド制約（RoCoF、ナイド、q-s-s）をラグランジュ緩和法を用いてモデル化し、ASの市場清算価格を表す双対変数を導出する。
• 核と2つの代替メカニズム（損失に寄与する割合に基づく比例配分、共同ゲームにおける標準的な公平性ソリューションであるシャープレー値）を比較する。
• イギリスのグレートブリテン系統を対象に、実際の発電、蓄電、再生可能エネルギー容量のデータを組み込んだ、混合整数線形プログラミング（MILP）フレームワークで手法を実装する。
• 最適化モデルからの双対変数を用いて、慣性、一次周波数応答（PFR）、強化周波数応答（EFR）の市場清算価格を導出し、費用配分プロセスに反映する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 系統不安定性に寄与する発電機および負荷間で、周波数抑制補助サービスの費用をどのように公平に配分できるか？
• RQ2 AS市場の文脈において、比例配分法の理論的・実用的限界、特に相互補填の観点での課題は何か？
• RQ3 公平性、安定性、計算可能性の観点から、核はシャープレー値および比例配分法と比べてどのように異なるか？
• RQ4 核のような共同ゲーム理論的手法は、再生可能エネルギーの高い統合が進む大規模電力系統に実用的に適用可能か？
• RQ5 提案された費用配分メカニズムは、大規模発電所とグリッド支援技術の両者に対する将来の投資インcentiveにどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 比例配分法は、一部の発電機または負荷が実際の系統不安定性への貢献度に対して不公正に負担を強いられる相互補填を生じる。
• シャープレー値と核の両メカニズムは、コアの公平性特性を満たすことで費用配分の公平性を保証するが、核は唯一、安定性（一貫性）を保証する。つまり、プレーヤーが協力ゲームを離脱するインcentiveを持たない。
• グレートブリテンの事例研究において、比例配分法では洋上風力発電が全AS費用の77％以上を占めるが、核およびシャープレー値法では50％にまで低下し、実際の系統への影響をより正確に反映している。
• GB系統において核法はシャープレー値法とわずかに異なるが、長期的な市場参加を保証する一貫性の性質があるため、好ましいとされる。
• 提案された核に基づくメカニズムは、システム統合コストを内生化しており、小型プラントや同期コンデンサのような慣性支援資産の導入を促進する可能性を有する。
• AS費用配分問題が空港問題と類似した構造を示すため、MILPを用いた効率的解法が可能であり、実電力系統において計算的に実行可能である。