[論文レビュー] Hierarchical Interactive Architecture based on Coalition Formation for Neighborhood System Decision Making

Jaber Valinejad, Mousa Marzband+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 20被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、プール市場における家庭用マイクログリッド（H-MG）の意思決定最適化を目的として、連合形成を用いた二段階階層的アーキテクチャを提案する。H-MGを戦略的プレイヤーとしてモデル化し、二段階プログラミングと市場清算メカニズムを用いて連合を形成することで、集団的利益を最大化し、ナッシュ均衡を達成するとともに、応答型負荷と最適なDERスケジューリングによりエネルギーコストを削減し、個別および集団的利益を向上させる。

ABSTRACT

In recent years, significant efforts for improving the technical and the economic performance of smart grids have been applied with the presence of different players making decisions in these grids. This paper proposes a bi-level hierarchical structure for designing and planning distributed energy resources in home microgrids (H-MGs). Such a small-scale grid inside the market environment permits energy exchange among distributed energy resources and home microgrids through a pool market. In this paper, each home microgrid's planner maximizes the performance of distributed energy resources while exchanging energy with other H-MGs. The problem is formulated as a high-level problem decomposed into a set of low-level market clearing problems. The global optimal performance in terms of energy cost is met for a market structure (H-MGs, consumers, and retailers) at a Nash optimum point for the formulated scheduling game considering local and general constraints on the spot market. In general, the upper-level structure is based on H-MG generation competition for maximizing their individual and/or group income in the process of forming coalition with other H-MGs. In addition, the functionality of the lower-level of the hierarchical structure is governed by a market clearing based on the price response method by all the DERs enabling H-MGs to change the spot market strategic behavior. Prices are obtained as dual variables of power balance equations. This paper will investigate a set of bilevel games, including nonlinear programming problems solved through a complementary problem method. Using the binary theory, the bilevel hierarchical structure will be replanned using a nonlinear problem. Results prove that the proposed structure can increase the players's profit.

研究の動機と目的

• 市場環境下における家庭用マイクログリッド（H-MG）の分散型エネルギー資源（DER）のための二段階意思決定フレームワークを設計すること。
• H-MGがエネルギー取引を通じて個別および集団収益を最大化できるように、戦略的な連合形成を可能にすること。
• H-MGと小売業者との相互作用を二段階ゲームとしてモデル化し、電力バランス制約から市場清算価格が生じることを保証すること。
• 応答型負荷とエネルギー貯蔵ダイナミクスを統合し、H-MG運用における柔軟性とコスト効率を向上させること。
• 分散意思決定において安定性と最適性を保証するため、スケジューリングゲームでナッシュ均衡を達成すること。

提案手法

• 上位問題では、戦略的入札とエネルギー取引を通じてグループおよび個別利益を最大化するためのH-MG連合形成をモデル化する。
• 下位問題では、市場清算価格（MCP）を電力バランス方程式の双対変数として導出する価格応答型市場清算メカニズムを用いる。
• 非線形プログラミングを用いて二段階最適化フレームワークを定式化し、下位問題は補完性問題法により解く。
• カルシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を適用して二段階問題を、均衡制約付き単一段階数学計画問題（MPEC）に変換する。
• 補完性制約を用いて境界違反と変数の関係をモデル化し、DERおよび貯蔵システムの妥当性を保証する。
• 複数のDER（CHP、EHP、ES、WT、EB、GB、STP）に加え、熱および電気エネルギー貯蔵、応答型負荷シフトを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H-MGは、分散市場環境下でどのように連合を形成することで、集団的および個別的な経済的パフォーマンスを向上させることができるか？
• RQ2 技術的および運用的制約を尊重しつつ、H-MGが利益を最大化するための最適入札戦略は何か？
• RQ3 応答型負荷とエネルギー貯蔵の統合は、市場清算結果および全体的なコスト効率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 不確実性と市場ダイナミクス下で、二段階階層的アーキテクチャはエネルギースケジューリングにおいてナッシュ均衡を達成できるか？
• RQ5 双対変数（市場清算価格）は、価格信号を通じて分散型H-MG意思決定をどのように調整する役割を果たすか？

主な発見

• 提案された二段階アーキテクチャは、エネルギースケジューリングゲームにおいてナッシュ均衡を達成し、H-MG間の戦略的安定性を保証する。
• H-MG間の連合形成により、独立運営に比べ全体のエネルギーコストが顕著に削減される。
• 応答型負荷とエネルギー貯蔵の統合により、システムの柔軟性が向上し、市場価格シグナルに適応する能力が向上し、コスト削減効果が高まる。
• 市場清算価格（MCP）は、電力バランス制約の双対変数として正確に導出され、価格応答性と市場効率性が保証される。
• 補完性問題とKKT条件の使用により、二段階最適化の正確な解法が可能となり、モデルの妥当性と最適性が検証される。
• 数値結果は、提案構造が個別および連合利益を増加させることを確認しており、分散型マイクログリッドシステムにおける戦略的協力の有効性を示している。