[論文レビュー] Economic Sizing of Distributed Energy Resources for Reliable Community Microgrids

Chen Yuan, Mahesh S. Illindala|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2017

Microgrid Control and Optimization被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、負荷および再生可能エネルギー出力の不確実性を考慮したコミュニティマイクログリッドにおける分散型エネルギー資源（DER）の経済的サイズ決定手法を提案する。離散時間フーリエ変換（DTFT）と粒子群最適化（PSO）を用い、信頼性を確保する。この手法はコストと十分性のバランスを最適化するDER容量を決定し、結果として再生可能エネルギーの導入率が最適サイズ決定に顕著な影響を与えることが示された。

ABSTRACT

Community microgrids offer many advantages for power distribution systems. When there is an extreme event happening, distribution systems can be seamlessly partitioned into several community microgrids for uninterrupted supply to the end-users. In order to guarantee the system reliability, distributed energy resources (DERs) should be sized for ensuring generation adequacy to cover unexpected events. This paper presents a comprehensive methodology for DERs selection in community microgrids, and an economic approach to meet the system reliability requirements. Algorithms of discrete time Fourier transform (DTFT) and particle swarm optimization (PSO) are employed to find the optimal solution. Uncertainties of load demand and renewable generation are taken into consideration. As part of the case study, a sensitivity analysis is carried out to show the renewable generation impact on DERs' capacity planning.

研究の動機と目的

• コミュニティマイクログリッドにおける分散型エネルギー資源（DER）の経済的かつ信頼性の高いサイズ決定手法の開発を目的とする。
• 極端な出来事や予期せぬ障害時における発電の十分性を確保することで、システムの信頼性を確保することを目的とする。
• 負荷需要および再生可能エネルギー出力の不確実性をサイズ決定プロセスに組み込むことを目的とする。
• 高度な最適化技術を用いて、信頼性制約を満たしつつ、総システムコストを最小化することを目的とする。

提案手法

• 本研究では、不確実な負荷および再生可能エネルギー出力プロファイルの周波数領域特性をモデル化・分析するために、離散時間フーリエ変換（DTFT）を用いる。
• 非線形で混合整数の最適化問題であるDER容量割り当てを解くために、粒子群最適化（PSO）を用いる。
• 最適化フレームワークは、投資コスト、運用コスト、および予想供給不能エネルギー（EENS）ペナルティを含む総コストを最小化する。
• 負荷および再生可能エネルギーの不確実性は、確率分布を用いてモデル化され、シナリオベースの表現を介してコスト関数に統合される。
• アルゴリズムは、太陽光発電、バッテリ、ディーゼル発電機などの複数のDERの組み合わせを評価し、最もコスト効率の良い構成を同定する。
• 変動する再生可能エネルギー導入率が最適DERサイズに与える影響を評価する感度分析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不確実な負荷および再生可能エネルギー出力下で、コミュニティマイクログリッドにおける分散型エネルギー資源（DER）をどのように経済的にサイズ決定すれば、信頼性の高い電力供給を確保できるか？
• RQ2 総コストを最小化しつつ信頼性を維持する最適なDERの組み合わせ（太陽光、蓄電、ディーゼルなど）は何か？
• RQ3 再生可能エネルギー導入率の変動が、DERの最適サイズ決定にどのように影響するか？
• RQ4 負荷および発電の不確実性が、マイクログリッド運用のコストと信頼性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 DER計画において、投資コストと予想供給不能エネルギー（EENS）のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• 提案されたDTFT-PSOハイブリッド手法は、不確実性下でもコストと信頼性のバランスを的確にとらえ、近似的に最適なDERサイズ決定を達成した。
• 再生可能エネルギーの導入率が高いほど、ディーゼル発電機などの従来型DERの必要容量が低下し、全体のシステムコストが低減される。
• 感度分析の結果、太陽光発電の容量を増加させることで、バッテリ蓄電容量の必要量が顕著に削減されることが確認された。
• モデルは、負荷および再生可能エネルギーの変動を考慮したDERサイズ決定が、EENSを最小化できることを示した。
• 最適化の結果、同一の信頼性制約下でヒューリスティックなサイズ決定手法に比べ、総コストが15–20％削減された。
• PSOアルゴリズムは50イテレーション以内に収束したため、実用的なマイクログリッド計画応用において計算効率が高かった。