[論文レビュー] Matrix Modeling of Energy Hub with Variable Energy Efficiencies

Wujing Huang, Ning Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2019

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、非線形変換および貯蔵部の非線形構造を同等の線形構造に変換するための分岐線形化を用いて、変動するエネルギー効率を有するエネルギーハブの行列ベースのモデリング手法を提案する。この手法により、変動効率条件下でのマルチエネルギーシステムの自動的・コンピュータ支援モデリングおよび最適化が可能となり、運用計画における近似精度と計算効率の両方を向上させる。

ABSTRACT

The modeling of multi-energy systems (MES) is the basic task of analyzing energy systems integration. The variable energy efficiencies of the energy conversion and storage components in MES introduce nonlinearity to the model and thus complicate the analysis and optimization of MES. In this paper, we propose a standardized matrix modeling approach to automatically model MES with variable energy efficiencies based on the energy hub (EH) modeling framework. We use piecewise linearization to approximate the variable energy efficiencies; as a result, a component with variable efficiency is equivalent to several parallel components with constant efficiencies. The nonlinear energy conversion and storage relationship in EH can thus be further modeled under a linear modeling framework using matrices. Such matrix modeling approach makes the modeling of an arbitrary EH with nonlinear energy components highly automated by computers. The proposed modeling approach can further facilitate the operation and planning optimization of EH with variable efficiencies. Case studies are presented to show how the nonlinear approximation accuracy and calculation efficiency can be balanced using the proposed model in the optimal operation of EH.

研究の動機と目的

• 変動するエネルギー効率による非線形部を有するマルチエネルギーシステム（MES）のモデリングの課題に対処すること。
• エネルギーインフラ（EH）の分析および最適化を簡素化する標準化された自動モデリングフレームワークの開発。
• 分岐近似を用いて非線形エネルギー変換および貯蔵関係を線形化すること。
• エネルギーインフラの運用および計画最適化における計算効率と近似精度の向上。

提案手法

• 本稿では、エネルギーの流れと変換を体系的かつ一貫して表現するため、行列ベースのエネルギーインフラ（EH）モデリングフレームワークを採用する。
• 変換および貯蔵部の変動効率は、分岐線形化を用いて近似される。
• 変動効率を有する各部品は、定常効率を有する複数の並列部品に分解される。
• 得られるモデルは、元の非線形関係を線形行列式に変換し、計算を効率的に行える。
• このアプローチは、コンピュータによる実装を通じて自動モデリングを支援し、手動モデリングの複雑さを低減する。
• 本手法は、近似精度と計算速度のバランスを重視した事例研究を通じて検証されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー変換および貯蔵部における変動効率を、線形フレームワーク内で効果的にモデリングする方法は何か？
• RQ2 分岐線形化を用いることで、エネルギーハブにおける非線形効率曲線をどの程度正確に近似できるか？
• RQ3 提案された行列モデリング手法は、EH最適化における計算効率を顕著に向上させることができるか？
• RQ4 実用応用において、近似精度と計算コストのトレードオフをどのようにバランスさせるか？

主な発見

• 提案された行列モデリング手法は、非線形エネルギーインフラ部品を線形行列フレームワークに成功して変換し、自動モデリングを可能にした。
• 分岐線形化により、最小限の計算オーバーヘッドで変動効率曲線の正確な近似が可能となった。
• 事例研究において、モデリングの正確性と計算効率の両立が図られた。
• 本手法は、変動効率を有するエネルギーインフラの効率的運用および計画最適化を促進した。
• 事例研究では、従来の非線形手法と比較して、モデルが高精度を維持しながらも、解法時間を短縮したことが示された。
• フレームワークはスケーラブルであり、複雑な非線形部品を有する多様なエネルギーインフラ構成に適応可能である。