[論文レビュー] Modeling A Micro-Nexus of Water and Energy for Smart Villages/Cities/Buildings

Qifeng Li, Suhyoun Yu+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2017

Water-Energy-Food Nexus Studies参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、交流潮流、バッテリーストレージ、再生可能エネルギー源を統合した微小水エネルギー連携（micro-WEN）の高精度な混合整数非線形計画法（MINLP）モデルを提案する。また、ポンプのオン/オフ状態を含む非線形水力モデルを用いた配管ネットワークのモデリングも実施している。テストケースとしてIEEE 13母線配電系統と8ノード水ネットワークを組み合わせた場合、独立した水・エネルギー系最適化と比較して、本モデルは優れたコスト効率を示した。

ABSTRACT

This paper introduces a micro-nexus of water and energy which can be considered as one of the physical infrastructures of the future building/city/village systems. For the electricity side, an alternating current (AC) power flow model integrated with battery energy storage and renewable generation is adopted. The nonlinear hydraulic characteristics in pipe networks is also considered in the proposed micro water-energy nexus (WEN) model. Integer variables are involved to represent the on/off state of pumps. Base on the proposed nexus model, a co-optimization framework of water and energy networks is developed. The overall co-optimization model is a mixed-integer nonlinear programming problem which is tested on a waterenergy nexus which consists of the IEEE 13-bus distribution system and a 8-node water distribution network. The simulation results demonstrate that the cost-efficiency of the co-optimization framework is higher than optimizing two systems independently.

研究の動機と目的

• スマート村、都市、建物における水とエネルギー系の相互依存性の増大に応えること。
• 従来のモデルが単純化された仮定に依存する傾向にあるが、分配レベルにおける水エネルギー連携（WEN）の物理的に正確なモデルの構築。
• 水・エネルギーネットワークの共同最適化を可能にし、システム全体の効率性とレジリエンスを向上させること。
• 水配給システムにおける知的で制御可能なポンプスケジューリングを通じて、需要応答とグリッドの柔軟性を支援すること。
• 非常時における共同島孤立、セキュリティ、信頼性を支える基盤を提供すること。

提案手法

• カップリングされた水・エネルギー系を表現するため、混合整数非線形計画法（MINLP）モデルを構築。
• 電気系側には、バッテリーエネルギー貯蔵および再生可能エネルギー源を含む交流潮流モデルを採用。
• 配管ネットワーク内の圧力と流量をモデル化する非線形水力方程式（例：ダルシー＝ワインバーグ式やハーゼン＝ウィリアムズ式）を統合。
• ポンプのオン/オフ状態を表すために2値変数を導入し、離散的制御意思決定を可能に。
• 共有されたサイバーフィジカルインfra構造を通じて水・エネルギーネットワークを統合し、リアルタイムでの調整を可能に。
• 両ネットワークの合計コストを同時に最小化する共同最適化フレームワークを採用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分配レベルにおける高精度で物理的に正確な水エネルギー連携モデルをどのように開発できるか？
• RQ2 独立して最適化するのと比較して、水・エネルギー系を共同最適化することで得られる影響は何か？
• RQ3 制御可能なポンプ操作を通じて、水配給システムがグリッドの柔軟性をどの程度提供できるか？
• RQ4 非線形水力モデルおよび交流潮流モデルの組み込みが、連携モデルの精度と性能に与える影響は？
• RQ5 提案された微小WENモデルは、停電時における共同島孤立とレジリエンスを支援できるか？

主な発見

• 共同最適化フレームワークは、水・エネルギー系を独立して最適化するのと比較して、より高いコスト効率を達成した。
• 非線形水力モデルと交流潮流モデルの統合により、現実のシステムダイナミクスをより正確に再現可能となった。
• 2値のオン/オフ変数を用いたポンプスケジューリングにより、水システムにおける効果的な需要応答とエネルギー費用削減が実現した。
• 本モデルは、グリッド接続モードと島孤立モードの両方をサポートし、遠隔地やオフグリッドコミュニティにおけるレジリエンスを強化した。
• 本フレームワークは、間歇的再生可能エネルギーのバランスを取るために、水システムをグリッドの柔軟性の源として活用可能なことを示した。
• IEEE 13母線システムと8ノード水ネットワークを用いたテストケースにより、モデルのスケーラビリティと実用的妥当性が確認された。