[論文レビュー] Distribution LMP-based Transactive Day-ahead Market with Variable Renewable Generation

M. Nazif Faqiry, Lawryn Edmonds+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 16被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、高比率の変動型再生可能エネルギー（VRE）導入下で、無効電力の価格設定、損失、混雑、電圧違反を組み込んだ、分配系ロケーションマージナルプライス（DLMP）に基づくトランザクティブ・デイ・アヘッド・マーケットを提案する。VREの不確実性を扱うために、独創的なデータ駆動型確率的エフィシェント・ポイント（PEP）手法を用い、さまざまなリスク水準における最適なVRE発電を計算する。その結果、無効電力の価格設定が、逆潮流状態下でのDLMP構成およびシステム運用に顕著な影響を与えることが示された。

ABSTRACT

The largescale penetration of variable renewable energy (VRE) and their generation uncertainties poses a major challenge for the distribution system operator (DSO) to efficiently determine the day-ahead real and reactive power distribution locational marginal prices (DLMPs) and their underlying components. In this paper, we propose a DLMP-based transactive day-ahead market (DAM) model, that in addition to energy and losses, determines prices for creating congestions and voltage violations under peak-load and large-scale stochastic VRE penetration conditions. To account for the VRE uncertainties and the effect of their large-scale penetration on the DLMP components and distributed energy resources' (DERs) schedules, we propose a novel data-driven probability efficient point (PEP) method that computes the optimal total VRE generation at different confidence (risk) levels to incorporate in the proposed transactive DAM model. We perform a wide range of simulation studies on a modified IEEE 69-node system to validate the proposed methods and demonstrate the effect of peak load conditions, large-scale VRE penetration, and inclusion of battery energy storage systems (BESS) on the resulting positive or negative real and reactive power DLMPs and their components.

研究の動機と目的

• 高比率のVRE導入下で無効電力の価格設定、損失、混雑、電圧違反を考慮した包括的なDLMPモデルが不足しているという問題に対処すること。
• 多様な分散型エネルギー資源（DERs）、特に確率的VREおよびバッテリーエネルギー貯蔵システム（BESSs）を統合したトランザクティブ・デイ・アヘッド・マーケット（DAM）モデルの開発。
• データ駆動的手法を用いて、VREの不確実性および導入率が、成分別に分離された実電力および無効電力DLMPに与える影響を定量化すること。
• 高比率の再生可能エネルギー統合下で、逆潮流問題や発電制限を防ぐために無効電力の価格設定が果たす重要性を実証すること。
• DSOが放射状配電網の制約を尊重しながら社会的余剰を最適化できるスケーラブルなMILPベースのフレームワークの提供。

提案手法

• 社会的余剰を最大化するための混合整数線形プログラミング（MILP）モデルを構築し、エネルギー、損失、混雑、電圧違反の各要素を統合。
• 有効電力および無効電力の潮流、電圧大きさ、線路損失の線形制約を導出するために、線形化された潮流（LPF）モデルを用いる。
• シャドウプライスを用いた感度分析により、DLMP成分をエネルギー、損失、電圧違反、混雑の各項に分解。
• 独創的なデータ駆動型確率的エフィシェント・ポイント（PEP）手法により、歴史的データを用いてさまざまな信頼水準における最適なVRE発電を計算。これにより、発電制限を低減し、リスクを管理。
• PEP手法は、ネットワーク制約、入札行動、確率的サンプルを統合し、不確実性下での効率的なVRE出力水準を特定。
• バッテリーエネルギー貯蔵システム（BESSs）は、状態-of充電（SoC）のダイナミクスと、DLMP信号に一致する入札ベースの充電・放電スケジュールでモデル化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高比率の変動型再生可能エネルギー（VRE）の導入と不確実性が、実電力および無効電力分配系ロケーションマージナルプライス（DLMP）の成分別構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 無効電力の価格設定が、特に逆潮流状態下でDLMP値およびシステム運用にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 提案された確率的エフィシェント・ポイント（PEP）手法は、VREの不確実性を効果的に管理し、発電制限を最小限に抑えながらシステムの安全性を維持できるか？
• RQ4 BESS統合が、さまざまなVRE導入率および信頼水準下でDLMPダイナミクスおよびVRE発電制限に与える影響は何か？
• RQ5 電圧違反や混雑といったネットワーク制約が、放射状配電システムにおける最終的なDLMP成分にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 高比率のVRE導入（K=4）下で、ノード60では逆潮流のため実電力DLMPが負値（例：−$1.20/MWh）を示す一方、無効電力DLMPは正のまま維持され、無効電力消費に対する報酬が示された。
• ピーク太陽光時間帯（10–12時）、ノード60における無効電力損失成分は、実電力損失の増加と発電制限の低減により、$3.40/MVARhrの報酬を受ける。
• 高い信頼水準（α=0.75）下では、実電力DLMPが常に高い負値を示すわけではない。代わりに、ネットワーク制約と歴史的データサンプルがDLMP結果を支配する。
• ノード2のBESSは、極めて負のDLMP（例：−$1.50/MWh）の時期に充電し、ピーク価格時に放電することで、VRE発電制限を効果的に低減。
• 無効電力の価格設定は極めて重要である：実電力DLMPが負であっても、高い無効電力成分の値により、ネットDLMPは正のまま維持される。
• PEP手法により、信頼水準とネットワーク制約に整合した最適なVRE出力を達成し、特に高比率導入状況下でVRE発電制限を効果的に低減できた。