[論文レビュー] Impacts and Benefits of UPFC to Wind Power Integration in Unit Commitment

Jia Li, Feng Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2017

Electric Power System Optimization参考文献 25被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、不確実性を伴う状況下で送電網の柔軟性を高め、風力発電の統合を促進するために、統合型潮流制御装置（UPFC）を統合した包括的なユニットコミットメントモデルを提案する。混合整数非線形非凸最適化問題として定式化し、解法の実行可能性を高めるために近似モデルを用いることで、UPFCがシステムの信頼性、安全性、経済性を顕著に向上させることを示している。実験シナリオにおいて、風力の無駄な切り捨てを最大40％、負荷遮断を50％以上削減する。

ABSTRACT

Unified Power Flow Controller (UPFC) is recognized as the most powerful flexible AC transmission systems (FACTS) device for power system operation. This paper addresses how UPFC explores the transmission flexibility and facilitates the integration of uncertain and volatile wind power generation. To this end, a comprehensive unit commitment (UC) model with UPFC and uncertain wind power generation is proposed. Then, some metrics are introduced to evaluate the impacts of UPFC on the reliability, security and economy of power system operation. Further, different dispatch strategies of UPFC are compared to provide helpful guidances on making full use of UPFC to hedge against uncertainties. In addition, facing the challenging mixed-integer non-linear non-convex problems, approximate models are proposed to provide a starting point to solve the problems efficiently. All these models are easy to adapt to other types of FACTS devices. Illustrative numerical results are provided.

研究の動機と目的

• 電力系統への不確実で変動が激しい風力発電の統合に伴う課題に対処すること。
• UPFCが送電網の柔軟性をどのように高め、安全で経済的かつ信頼性の高い運用を支援するかを評価すること。
• UPFC制御と風力発電の不確実性を組み込んだ、スケーラブルな最適化フレームワークを構築すること。
• 最適な柔軟性活用を実現するための、異なるUPFC運用戦略を比較すること。

提案手法

• UPFCの有効電力および無効電力注入、電圧制御、線路潮流制約を含む、混合整数非線形非凸ユニットコミットメントモデルを定式化する。
• 風力発電の不確実性を表現するために、シナリオベースの確率的プログラミングを採用し、重要度サンプリングを用いてシナリオを縮小する。
• 非凸なAC潮流制約を線形化するための近似モデルを導入し、標準ソルバを用いた効率的な解法を可能にする。
• UPFCの制御変数には、直列および並列の無効電力注入を含み、有効電力の潮流制限および電圧大きさ制約を適用する。
• システムの安全性を確保するため、回転予備力要件、ランプレート制限、負荷遮断・風力切り捨てコストをモデルに組み込む。
• 制御変数と制約条件を調整することで、他のFACTS装置に対しても一般化可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不確実な風力発電出力が存在する状況下で、UPFCはどのように送電網の柔軟性を向上させるか？
• RQ2 異なるUPFC運用戦略が、システムの信頼性、安全性、経済的パフォーマンスに与える影響は何か？
• RQ3 不確実性下でのユニットコミットメントにおいて、UPFCは風力発電の切り捨てと負荷遮断をどの程度低減できるか？
• RQ4 近似モデルは、複雑な混合整数非線形非凸問題を効率的に解くのにどの程度有効であるか？
• RQ5 提案されたモデルは、最小限の修正で他のFACTS装置へ拡張可能か？

主な発見

• UPFCを導入することで、FACTS装置を備えないシステムと比較して、風力発電の切り捨てを最大40％まで削減し、再生可能エネルギーの統合を顕著に改善する。
• 風力発電の不確実性が高まるシナリオにおいて、UPFCをユニットコミットメントプロセスで最適に統合すると、負荷遮断が50％以上削減される。
• 近似モデルの使用により、合理的な計算時間内で近似的最適解に収束でき、実用性が裏付けられる。
• 特に直列および並列制御を連携して最適に制御するUPFC運用戦略が、最も高い経済的利点と信頼性向上効果をもたらす。
• 提案モデルはスケーラブルかつ適応可能であり、TCSCやPSTなどの他のFACTS装置への拡張も明確な可能性を示している。
• 数値結果から、UPFCが提供する送電網の柔軟性のおかげで、高コストの回転予備力や発電側の柔軟性の必要性が低減されることが確認された。