[論文レビュー] Optimal Transmission Topology for Facilitating the Growth of Renewable Power Generation

E. W. R. Little, Sandrine Bortolotti+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2021

Optimal Power Flow Distribution参考文献 28被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、変動型再生可能エネルギーの高比率統合をコスト効率よく実現するための最適送電網トポロジー制御（OTC）を提案する。修正版RTS-96テストシステムを用いて、風力発電容量が3倍に増加する中で、OTCが系統コストを最大3.4倍まで削減し、発電停止と混雑を低減しながら運用の柔軟性を維持することを示している。

ABSTRACT

Transmission topology control is a tool used by system operators in the role of a control action taken into account as a preventive or corrective action relative to a specific outage or set of outages. However, their inclusion in most electricity market frameworks is limited. With the increasing penetration of intermittent energy sources, optimal topology can be used as a lever of flexibility to decrease the total system cost. This paper demonstrates the evolution of optimal topology control on systems with increasing quantities of intermittent renewable energy along two axes. First, the effects of the increased variable sources on the variations of optimal topology are explored. Second, we elaborate on the growing advantages of exploiting transmission level grid flexibility in terms of total system cost. Case studies are performed on a modified RTS-96 network.

研究の動機と目的

• 増加する再生可能エネルギーの導入に伴う最適送電網トポロジー制御（OTC）の経済的・運用的利点を定量的に評価すること。
• 風力発電の増加に伴い、トポロジー操作の回数と頻度がどのように変化するかを分析すること。
• OTCが系統混雑、風力発電の発電停止、母線価格のばらつきに与える影響を評価すること。
• OTCを電力市場設計、特にフロー基準市場結合に統合する可能性を評価すること。
• 系統の変動性が高まる中で、OTCが安全性の向上に加え、経済的効率性の観点からもますます価値を持つことを実証すること。

提案手法

• ネットワークトポロジーの変更を2値意思決定としてモデル化することで、最適送電網スイッチング（OTS）問題を混合整数非線形計画問題（MINLP）として定式化した。
• 風力発電容量を段階的に増加させたシナリオ（ベース容量の50%、75%、100%、150%、300%）を想定した、修正版RTS-96テストシステムを用いた。
• 最適化手法を用いてOTC問題を解き、発電コストと発電停止コストを含む総系統コストを最小化した。
• 3つのシステム構成（銅プレート：ネットワーク制約なし、ベースネットワーク：柔軟性なし、ベースネットワークにOTCを追加）を比較した。
• 混雑の指標として母線価格のばらつきを追跡し、異なるシナリオ下での風力発電停止量を定量評価した。
• 使用された固有のトポロジー数と、時間ステップごとのトポロジー変更頻度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 風力発電の導入率が上昇するに従い、最適トポロジーの使用数はどのように変化するか？
• RQ2 再生可能エネルギーの増加に伴い、OTCによる系統コスト削減の経済的利点はどの程度か？
• RQ3 系統混雑に起因する風力発電の発電停止は、OTCによってどの程度低減されるか？
• RQ4 OTCは母線価格の地理的ばらつきにどのように影響を与え、混雑の低減を示すか？
• RQ5 フロー基準市場結合のような既存の市場設計にOTCを統合する可能性はどの程度か？

主な発見

• 風力発電容量がベース容量の100%から300%に増加するに伴い、OTCによる系統コスト削減効果は3.4倍に増加し、年間で2000万ドルのコスト削減が達成された。
• OTCの経済的利点は、風力導入率の上昇に伴い、その増加速度が速くなる。再生可能エネルギーの増加に伴い、銅プレートとベースネットワークの間のコスト差は4万ドルから6600万ドルにまで拡大した。
• OTCのおかげで風力発電の発電停止は最大1600GWhまで削減された。特に、ネットワーク制約により再生可能エネルギーの発電が制限される高導入率のシナリオで顕著な効果を示した。
• OTC導入時には母線価格のばらつきが低下し、系統混雑が軽減され、ネットワーク全体にわたる価格信号の均一化が実現した。
• 風力発電の導入率が上昇するに従い、使用される固有トポロジー数も増加したが、ベーストポロジー（すべての線路を遮断）は、風力発電容量が300%に達する状況でも、全時間の約半分で使用された。
• 時間ステップごとの最適なトポロジー操作回数は、風力発電の増加に伴い、一定水準に安定し、システムの変動性が増大しても運用の複雑性に限界が存在することを示唆した。