[論文レビュー] Impact of Dynamic Line Rating on Dispatch Decisions and Integration of Variable RES Energy

Bolun Xu, Andreas Ulbig+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2016

Thermal Analysis in Power Transmission参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、リアルタイムの気象データと導体熱平衡を活用して、従来の定格送電線容量（NLR）を超える送電容量を向上させる動的送電線容量（DLR）モデルを提案する。ドイツの送電系統ベンチマークを用いた高分解能DC最適潮流シミュレーションにより、DLRは年間で最大800 GWhにのぼる風力発電の切り捨てを削減し、再生可能エネルギーの導入率が高い状況下で、特に混雑しやすいブレーメン–フランクフルト–シュトゥットガルト間の送電線で負荷遮断を顕著に低減することを示している。

ABSTRACT

Dynamic line rating (DLR) models the transmission capacity of overhead lines as a function of ambient conditions. It takes advantage of the physical thermal property of overhead line conductors, thus making DLR less conservative compared to the traditional worst-case oriented nominal line rating (NLR). Employing DLR brings potential benefits for grid integration of variable Renewable Energy Sources (RES), such as wind and solar energy. In this paper, we reproduce weather conditions from renewable feed-ins and local temperature records, and calculate DLR in accordance with the RES feed-in and load demand data step. Simulations with high time resolution, using a predictive dispatch optimization and the Power Node modeling framework, of a six-node benchmark power system loosely based on the German power system are performed for the current situation, using actual wind and PV feed-in data. The integration capability of DLR under high RES production shares is inspected through simulations with scaled-up RES profiles and reduced dispatchable generation capacity. The simulation result demonstrates a comparison between DLR and NLR in terms of reductions in RES generation curtailments and load shedding, while discussions on the practicality of adopting DLR in the current power system is given in the end.

研究の動機と目的

• 変動性の高い再生可能エネルギー（RES）を有する送電系統における動的送電線容量（DLR）の影響が、送電線混雑と再生可能エネルギー統合に与える影響を評価すること。
• 周囲環境条件（気温、風速、日射量など）を用いてリアルタイムの送電線容量を計算する気象に基づくDLRモデルの開発。
• 2011年の実世界データを用いた高分解能の実データを用いて、DLRと従来の定格送電線容量（NLR）の下でのディスpatch結果をシミュレーションし、比較すること。
• 既存の送電系統におけるDLRの実用的実装可能性と制限要因（機器の定格、測定の不確実性、空間的気象変動など）を評価すること。
• 将来のRESシナリオをスケーリングした状況下で、DLRを適用した場合の再生可能エネルギーの切り捨ておよび負荷遮断の削減を定量すること。

提案手法

• ジュール熱、日射加熱、対流冷却、放射冷却を組み込んだ導体熱平衡方程式に基づくDLRモデルを構築した。
• 導体温度の測定に依存せず、周囲気温、風速、風向、日射量などの気象データを用いて送電線定格を計算した。
• 地域の気温記録と再生可能エネルギーの接続データを再構築することで、時間経過に伴う一貫性のあるDLR推定を可能にした。
• 負荷遮断および発電の切り捨てをペナルティとする目的関数を有するDC最適潮流（DC OPF）ディスパッチモデルを適用し、DLRおよびNLR下での経済的ディスパッチをシミュレートした。
• 実際の2011年の風力およびPVの接続データと、将来のシナリオを想定したスケーリングされたRESプロファイルを用いて、ドイツの送電網を模した6母線ベンチマーク送電系統をシミュレーションした。
• 時間系列のDLRおよびNLR定格を用いて、ブレーメン–フランクフルト–シュトゥットガルト間の送電線の負荷率と混雑状況を評価し、切り捨ておよび送電性能を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高RES送電系統において、NLRと比較してDLRは、風力発電の切り捨ておよび負荷遮断をどの程度削減できるか？
• RQ2 風速、日射量などの周囲気象条件の変動が、架空送電線の動的定格にどのように影響するか？
• RQ3 簡易なノードベースモデルを用いる場合、送電線に沿った空間的気象変動がDLR推定の正確性に与える影響は何か？
• RQ4 高再生可能エネルギー発電下において、混雑している送電線コーリドにDLRが与える総合的な送電能力への影響は何か？
• RQ5 実際の送電系統におけるDLR実装の実用的制限要因（機器定格、測定の不確実性など）は何か？

主な発見

• スケーリングされた将来のRESシナリオ下で、ブレーメン–フランクフルト–シュトゥットガルト送電線コーリドにおいて、DLRは年間で約800 GWhの風力発電の切り捨てを削減する。
• フランクフルトおよびシュトゥットガルト地域の負荷遮断は、DLRを用いることでNLRと比較してほぼ半減し、特に冬期の高風速期に顕著に減少する。
• 高風速（例：6 m/s）下では、DLRモデルが送電容量を最大200%まで向上させ、混雑しているコーリドにおける電力送受電能力を顕著に向上させる。
• シミュレーション結果から、DLRは北–南方向の送電経路における混雑を効果的に緩和し、北ドイツの風力発電を南ドイツへより効率的に送電可能にする。
• 効果は認められるが、DLRの有効性は空間的気象変動および最悪事態シナリオと機器の熱的限界に基づく定格上限の必要性によって制限を受ける。
• 本研究は、特に送電制約のあるネットワークにおいて、高比率の変動性RES統合のための新しい送電線建設の代替手段として、DLRが費用対効果に優れていると結論づける。