[論文レビュー] HyMGP: A Customized MILP-Based Tool for Techno-Economic Planning of Islanded Microgrids

Andres Intriago, Rongxing Hu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2026

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ひとこと要約

HyMGPは島嶼型マイクログリッドの技術経済計画のためのカスタマイズされたMILPベースのツールで、HOMER Proと比較され、風力とLi-ion BESSがSaudi砂漠の単独設置マイクログリッドのNPCをどのように低減できるかを示します。また、電池の自立性の影響を分析し、鉛蓄電池 vs Li-ionストレージを比較します。

ABSTRACT

This paper presents a customized microgrid planning algorithm and tool, HyMGP, for remote sites in arid regions, which is formulated as a Mixed Integer Linear Programming (MILP) problem. HyMGP is compared with HOMER Pro to evaluate its performance in optimizing the sizing of microgrid components, including photovoltaic panels (PVs), vertical axis wind turbines (VAWTs), and battery energy storage systems (BESS), for remote and off-grid applications. The study focuses on a standalone microgrid in the Saudi Arabia, considering high solar irradiance, limited wind availability, and a constant load profile composed of continuous cathodic protection and daytime cooling. In the simulation environment, comparisons with HOMER solutions demonstrate the advantages of HyMGP, which provides optimal and more flexible solutions by allowing user-defined component specifications and strictly enforcing all constraints. Further analysis shows that incorporating wind turbines reduces the Net Present Cost (NPC) by decreasing the required PV and battery capacities. Increasing battery autonomy leads to a higher NPC in both PV-only and hybrid systems due to the need for larger storage. Finally, lithium iron phosphate (Li-ion LFP) batteries are found to be more cost effective than lead acid, offering lower NPCs due to their longer lifespan, deeper discharge capability, and fewer replacement cycles.

研究の動機と目的

• リモート砂漠サイト向けに特化したMILPベースのマイクログリッド計画アルゴリズムを開発する。
• HyMGPの結果をHOMER Proと比較し、制約処理と最適性の利点を示す。
• 風の統合と電池自立性が総現在価値(NPC)に与える影響を評価する。
• standaloneマイクログリッドにおけるLi-ion LFPと鉛酸BESSの費用対効果を評価する。

提案手法

• マイクログリッド計画を25年の horizon でNPCを最小化するMILPとして定式化する。
• 投資コストと運用コストを含むPV、WT、BESSユニット数の意思決定変数を定義する。
• SOC、充放電、リザーブ要件を含むPV、WT、BESSの運用制約を組み込む。
• 制御された未充足需要と未充足リザーブを許容してコストと信頼性のバランスを取る。
• MATLAB上でGurobiを用いて解き、シナリオ間でHOMER Proと結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HyMGPは島嶼型マイクログリッドのNPCを最小化するためにPV、WT、BESSの構成をどう最適化するか。
• RQ2 制約の遵守と最適性の観点でHyMGPとHOMER Proの比較優位は何か。
• RQ3 風力統合と電池自立性はNPCと系統設計にどのような影響を与えるか。
• RQ4 長期の単独マイクログリッドにおいてLi-ion LFP電池は鉛酸電池より費用対効果が高いか。

主な発見

• 風力統合はPVとBESSのサイズを小さくすることでNPCを低減する（3つのケースで18%、28%、23%の削減）。
• 小さな未充足負荷(0.05%)を許容すると、PVだけの場合のNPCは5.4%、PV+WTの場合は10.8%低下。
• HyMGPは制約を厳密に満たした解を得られ、同程度の未充足負荷レベルでPV+WTのケースでHOMERより NPCを最大10%低くできる。
• Li-ion LFP電池は鉛酸より費用対効果が高く、未充足負荷ゼロ時のNPCはPVで5.54%、PV+WTで7.48%低下し、未充足負荷の許容度が増えるとさらに増加する。
• 電池自立性を高めると、ストレージ優位性のためPVのみとハイブリッド系のコスト差が縮小する。
• 風の含有は必要な再生可能容量と貯蔵を減らし、全体的な経済性を改善する。