[論文レビュー] Factoring the Cycle Aging Cost of Batteries Participating in Electricity Markets

Bolun Xu, Jinye Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2017

Advanced Battery Technologies ResearchEngineering参考文献 21被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、電力市場におけるバッテリサイクル劣化を正確にモデル化するための区分的線形コスト関数を提案し、経済的ディスpatchおよび市場清算への正確な統合を可能にしている。この手法は、レインフロー周期カウントを用いて実際のバッテリ劣化を密接に近似し、ベンチマークモデルと正確なコスト一致を達成することで、ISOニューエングランド市場におけるバッテリの利益最大化を実現する。

ABSTRACT

When participating in electricity markets, owners of battery energy storage systems must bid in such a way that their revenues will at least cover their true cost of operation. Since cycle aging of battery cells represents a substantial part of this operating cost, the cost of battery degradation must be factored in these bids. However, existing models of battery degradation either do not fit market clearing software or do not reflect the actual battery aging mechanism. In this paper we model battery cycle aging using a piecewise linear cost function, an approach that provides a close approximation of the cycle aging mechanism of electrochemical batteries and can be incorporated easily into existing market dispatch programs. By defining the marginal aging cost of each battery cycle, we can assess the actual operating profitability of batteries. A case study demonstrates the effectiveness of the proposed model in maximizing the operating profit of a battery energy storage system taking part in the ISO New England energy and reserve markets.

研究の動機と目的

• 既存の経済的ディスパッチフレームワークにおいて、正確で市場互換性のあるバッテリ劣化コストモデルの欠如に対処する。
• サイクル劣化を運用コストとして考慮することで、バッテリエネルギー貯蔵（BES）所有者が電力市場で利益を上げて入札できるようにすること。
• 既存の市場清算ソフトウェアにスムーズに統合可能な計算効率の高いモデルを開発すること。
• レインフローカウントの厳密な近似を通じて、特にサイクル深さ依存性を反映する、実際のバッテリ劣化メカニズムをモデルに組み込むこと。
• 実際のISOニューエングランド市場データと事後検証を用いて、モデルの正確性と有効性を示すこと。

提案手法

• 電気化学的バッテリの2次関数的サイクル劣化コストを近似するため、10セグメントの区分的線形コスト関数を提案する。
• 各セグメントが浅いから深いサイクル深さ（例：0–10%、10–20%など）のエネルギーレベルを追跡するベクトルベースの状態表現を用いる。
• 定理1を適用して放電順序を決定：より深いセグメントが先に放電され、正しいサイクルカウントが保証される。
• 時間ステップごとの限界劣化コストを、コストベクトルと放電電力ベクトルの内積として計算する：$ C_t = \mathbf{c}^T \mathbf{p}^{\text{dis}}_t $。
• レインフローカウントをベンチマークとして用い、サイクルカウントとコスト計算の同等性を証明することでモデルを検証する。
• 限界劣化コストを動的で状態依存のコスト要素として扱うことで、経済的ディスパッチにモデルを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存の電力市場ディスパッチソフトウェアと互換性を持ちながら、バッテリサイクル劣化コストをどのように正確にモデル化できるか。
• RQ2 2次関数的劣化コスト関数の区分的線形近似が、標準的なレインフロー周期カウント法の結果とどの程度一致するか。
• RQ3 提案されたモデルが、実世界の市場でサイクル劣化コストを完全に回収できるように、バッテリ所有者が入札を設計できるか。
• RQ4 線形化セグメントの数が、劣化コスト近似の正確性にどのように影響するか。
• RQ5 サイクル劣化が、リアルタイム市場および予備市場におけるバッテリエネルギー貯蔵システムの利益性に実際に及ぼす影響は何か。

主な発見

• 十分な線形化セグメント数がある場合、提案された区分的線形モデルはベンチマークのレインフローベースモデルと正確に等価なコストを達成し、誤差はゼロに近づく。
• 定理2により、モデルはレインフロー法のサイクルカウントとコスト計算を正確に再現しており、物理的正確性が保証される。
• 1年間のISOニューエングランド市場データを用いた事例研究において、モデルはサイクル劣化コストを適切に考慮することで、正確な利益最大化を実現した。
• 限界劣化コストは、特定の深さセグメントからの放電に基づき、時間ステップごとに動的に計算され、入札における正確なコスト回収が可能になる。
• 線形化セグメント数が増えるほどモデルの正確性が向上し、10セグメント（10%の深さインターバル）では、数値例においてベンチマークモデルと正確に一致する。
• 本モデルは、既存の市場清算システムへの統合に実用的であり、エネルギー市場および予備市場における利益を上げるバッテリ参加を支援する。