[論文レビュー] Flexible unit commitment of a network-constrained combined heat and power system

Alvaro González-Castellanos, Priyanko Guha Thakurta+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2018

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ネットワーク制約付きの併用熱電発（CHP）システムにおけるデイ・アヘッドの柔軟なユニットコミットメントを目的とした混合整数線形プログラミング（MILP）モデルを提案する。電気系と熱系を統合し、詳細なCHPユニットモデル、熱蓄電、およびDC潮流制約を組み込む。主な貢献は、熱系と電気系の共同運用が、特に熱蓄電とネットワーク制限を考慮した場合に、運用の柔軟性、効率性、経済的パフォーマンスを向上させることを示したことである。

ABSTRACT

Large Combined Heat and Power (CHP) plants are often employed in order to feed district heating networks, in Europe, in post soviet countries and China. Traditionally they have been operated following the thermal load with the electric energy considered as a by-product, while the modern trend includes them in the electric market to take advantage of the flexibility they could provide. This implies the necessity to consider the impact on the electric grid while filling the thermal load requests. A detailed Mixed Integer Linear Programming (MILP) optimization model for the solution of the network-constrained CHP unit commitment of the day-ahead operation is introduced. The developed model accounts for lossless DC network approximation of the electric power flow constraints, as well as a detailed characterization of the CHP units with useful effect, heat and power, function of one and two independent variables ("degrees-of-freedom"), and thermal energy storage. A computational validation of the outlined model on a CHP test system with multiple heating zones is presented in the form of computational test cases. The test cases illustrate the impact on the flexibility of the implementation of the energy storage, network constraints and joint multi-system operation. The conducted studies have highlighted the importance of a comprehensive and integrated analysis of multi-energy systems to exploit the operational flexibility provided by the cogeneration units. The joint operation of the thermal and electric system allows to reap economic, operational efficiency, and environmental benefits. The developed model can be easily extended to include diverse multi-energy systems and technologies, as well as more complex representations of the energy transmission networks, and the modeling of renewable energy resources dependent of one or more independent, weather-related, variables.

研究の動機と目的

• ネットワーク制約付きCHPシステムにおけるデイ・アヘッドユニットコミットメントの包括的最適化モデルの構築を目的とする。
• 1つまたは2つの独立変数（例：燃料入力と電力／熱出力）を用いて、詳細なCHPユニット特性を正確に表現する。
• 熱エネルギー貯蔵とネットワーク制約（DC潮流を介して）を統合し、システムの柔軟性を向上させる。
• 熱蓄電、ネットワーク制限、マルチシステム運用の影響が運用の柔軟性とコスト効率に与える影響を評価する。
• モジュラーなモデル化により、マルチエナジーシステムおよび再生可能エネルギーの統合への拡張を可能にする。

提案手法

• ネットワーク制約付きCHPシステムにおけるデイ・アヘッドユニットコミットメントのための混合整数線形プログラミング（MILP）モデルを構築する。
• 線路アドミittanceとノード位相角変数を用いて、損失のないDC潮流近似を用いて送電線を横断する有効電力の流れをモデル化する。
• 1つまたは2つの独立変数（例：燃料入力対電力／熱出力）を有するユニットの性能曲線を区分的線形化により近似する。
• ユニットコミットメント、起動手順、最小稼働時間制約をモデル化するためのバイナリ変数を適用し、運用ダイナミクスを表現する。
• 各ゾーンごとの熱エネルギーバランスを、熱伝達効率、貯蔵損失、ゾーン別貯蔵容量を用いてモデル化する。
• 共有されるCHPユニットを通じて電気系と熱系を統合し、負荷バランスと線路熱制限を満たす制約を設ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱エネルギー貯蔵の統合が、ネットワーク制約下でのCHPユニットコミットメントの柔軟性とコストに与える影響は何か？
• RQ2 線路電流制限（例：線路負荷制限）などのネットワーク制約が、併用熱電発システムにおけるCHPユニットの運用柔軟性をどの程度制限するか？
• RQ3 電気系と熱系の共同運用は、独立運用と比較して、システム効率性と経済的パフォーマンスをどのように向上させるか？
• RQ4 CHPユニットのモデル化に2つの独立変数（例：燃料と電力／熱）を用いる場合と1つの場合とで、解の正確性と柔軟性にどのような影響があるか？
• RQ5 提案されたMILPモデルは、再生可能エネルギー源やより複雑なマルチエナジー・システム構成を効果的に拡張できるか？

主な発見

• 熱エネルギー貯蔵の統合により、熱のシフトが可能となり、無効発電の削減と運用コストの低減が顕著に向上する。
• ネットワーク制約（線路負荷制限）は、特に混雑している地域においてユニットコミットメント意思決定に顕著な影響を及ぼし、正確なディスpatchのためには明示的なモデル化が不可欠である。
• 電気系と熱系の共同運用により、運用効率性と経済的利点が向上し、CHPユニットが両方のエネルギー市場をより効果的に調整できる。
• 燃料と電力／熱出力の2つの独立変数を用いたユニットモデル化により、CHP性能のより正確な表現が可能となり、解の忠実性が向上する。
• 本モデルは、1時間あたり2％の熱蓄電損失と92％の熱伝達効率が、システム性能とコストに重要な影響を与えるパラメータであることを示している。
• マルチゾーンCHPシステムにおける計算上の妥当性検証により、本モデルが複雑なシステム相互作用を適切に扱い、最適で柔軟なディスパッチソリューションを提供できることを確認した。