[論文レビュー] Paving the Way to Smart Micro Energy Internet: Concepts, Design Principles, and Engineering Practices

Shengwei Mei, Rui Li+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2016

Smart Grid Energy Management参考文献 38被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、マイクログリッド、分散型ポリジェネレーション、エネルギー貯蔵、および高度な制御を統合したスマートマイクロエナジーウェブフレームワークを提案し、効率性とレジリエンスを向上させることを目的としている。外部からの摂動下でも安定した運用を実現するため、自己近傍最適化を有する工学的ゲーム理論に基づくエネルギーマネジメントシステムを導入し、青海大学で太陽光ベースのプロトタイプを用いて検証された。その結果、運用安定性と多基準最適化の両方が向上したことが示された。

ABSTRACT

The energy internet is one of the most promising future energy infrastructures that could both enhance energy efficiency and improve its operating flexibility. Analogous to the micro-grid, the micro energy internet emphasizes the distribution level and demand side. This paper proposes concepts and design principles of a smart micro energy internet for accommodating micro-grids, distributed poly-generation systems, energy storage facilities, and associated energy distribution infrastructures. Since the dispatch and control system of the smart micro energy internet is responsible for external disturbances, it should be able to approach a satisfactory operating point while supporting multiple criteria, such as safety, economy, and environmental protection. To realize the vision of a smart micro energy internet, an engineering game theory based energy management system with self-approaching-optimum capability is investigated. Based on the proposed concepts, design principles, and energy management system, this paper presents a prototype of China's first conceptual solar-based smart micro energy internet, established in Qinghai University.

研究の動機と目的

• 分散型エネルギー資源と需要側管理を統合する包括的な概念的フレームワークを構築すること。
• 外部からの摂動下でもシステムの安定性と効率性を維持するための高度なディスpatchおよび制御メカニズムを提供すること。
• マイクロエネルギーシステムにおける安全性、経済性、環境持続可能性のバランスを取る設計原則を提示すること。
• 自己近傍最適化動作を可能にする工学的ゲーム理論に基づくエネルギーマネジメントシステムの実装と検証を行うこと。

提案手法

• 本稿は、マイクログリッド、ポリジェネレーションシステム、エネルギー貯蔵を含む分散型エネルギー資源に焦点を当てたスマートマイクロエナジーウェブアーキテクチャを提示する。
• 外部摂動に耐えながら、安全性、経済性、環境影響の最適化を図るディスpatchおよび制御システムを構築する。
• エージェントが反復的に最適な作業点に収束できる工学的ゲーム理論に基づくエネルギーマネジメントシステムを提案する。
• エネルギーの流れを動的に調整し、運用偏差を低減するため、自己近傍最適化メカニズムを採用する。
• 電力バランス、設備制限、環境目標などの制約を組み込んだ、エネルギーエージェント間の相互作用を表す理論的モデルを構築する。
• 青海大学にプロトタイプを実装し、太陽光発電とリアルタイム制御を用いて、実現可能性と性能を実証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な分散型エネルギー資源を統合しつつ、摂動下でも安定性を維持できるスマートマイクロエナジーウェブは、どのように設計できるか？
• RQ2 マイクロエネルギーシステムにおいて、安全性、経済性、環境の多目的最適化を実現するための制御メカニズムは何か？
• RQ3 中央集権的グローバル最適化を必要とせずに、エネルギーマネジメントシステムが自己近傍最適化動作を達成する方法は何か？
• RQ4 マイクロエナジーウェブの展開において、スケーラビリティ、信頼性、持続可能性を保証する工学的原則は何か？
• RQ5 現実の状況下で、ゲーム理論に基づくアプローチが分散型エネルギーエージェント間の協調性をどの程度向上できるか？

主な発見

• 提示された工学的ゲーム理論に基づくエネルギーマネジメントシステムは、全システムの情報がなくても、エージェントが最適な作業点に収束できることを実証した。
• 青海大学に設置されたプロトタイプシステムは、動的負荷および再生可能エネルギー出力の変動下でも安定した運用を示し、提案フレームワークの実現可能性を確認した。
• 分散型リソースおよび貯蔵の協調的ディスpatchにより、エネルギー効率の向上と運用コストの低減が達成された。
• 設計原則により、太陽光発電、ポリジェネレーション、貯蔵の有効統合が可能となり、高比率の再生可能エネルギー導入を支援した。
• 外部摂動下でもシステムのセキュリティと環境規範準拠を維持できたことから、制御システムのレジリエンスが検証された。
• 実装結果から、自己近傍最適化動作が現実のマイクロエナジーネットワークにおけるシステムの適応性とレジリエンスを高めることを示した。