[論文レビュー] Performability analysis of the second order semi-Markov chains in state and duration for wind speed modeling

Guglielmo D’Amico, Filippo Petroni+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2012

Energy Load and Power Forecasting被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、イタリアのL.S.I.-Lastem局の10分間隔の風速データを用いて、風速ダイナミクスと風力発電システムのパフォーマンス（performability）を分析するため、2次の半マルコフ報酬モデルを提案する。報酬過程の高次モーメントのための新規方程式を導出し、10kWの水平軸風力タービンの期待エネルギー出力と分散を計算する。この手法により、風力発電システムの信頼性と性能を実用的に評価する方法を示している。

ABSTRACT

In this paper a general second order semi-Markov reward model is presented. Equations for the higher order moments of the reward process are presented for the first time and applied to wind energy production. The application is executed by considering a database, freely available from the web, that includes wind speed data taken from L.S.I. - Lastem station (Italy) and sampled every 10 minutes. We compute the expectation and the variance of the total energy produced by using the commercial blade Aircon HAWT - 10 kW.

研究の動機と目的

• 風速およびエネルギー生産の分析のため、一般化された2次の半マルコフ報酬モデルを構築すること。
• 風速系列における時間的依存性を捉えることができない1次モデルの限界を解消すること。
• 実世界のデータを用いて、商業用10kW風力タービンの総エネルギー出力の期待値と分散を計算すること。
• 状態持続時間と遷移ダイナミクスを統合したパフォーマンス分析フレームワークを提供し、風力発電予測の向上を図ること。

提案手法

• 現在の状態と直前の状態を組み合わせた2次の半マルコフ連鎖モデルを定式化し、風速遷移を記述する。
• 報酬過程（全エネルギー生産を表す）の1次および2次モーメントのための新規な解析的方程式を導入する。
• イタリアのL.S.I.-Lastem局の10分間隔風速測定データベースを、モデルの妥当性検証のための入力として使用する。
• 商業用10kW水平軸風力タービン（Aircon HAWT）にモデルを適用し、期待エネルギー出力と分散を計算する。
• エネルギー出力が風速とタービンの出力曲線に依存する報酬構造を採用する。
• 報酬過程のモーメントの連立式を解くことで、パフォーマンス指標を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次の半マルコフモデルは、1次モデルと比較して、風速およびエネルギー生産のモデル化精度をどのように向上させるか？
• RQ2 2次半マルコフ枠組みにおける報酬過程の1次および2次モーメントの解析的表現は何か？
• RQ3 状態持続時間と遷移における記憶（メモリ）の組み込みが、風力エネルギー系のパフォーマンスにどのように影響するか？
• RQ4 実際の10分間隔風速データを用いた10kW風力タービンの期待エネルギー出力と分散は何か？
• RQ5 提案されたモデルは、変動する風況下での風力発電システムの信頼性と性能を効果的に定量化できるか？

主な発見

• 本稿では、2次半マルコフモデルにおける報酬過程の1次および2次モーメントの明示的方程式を、初めて導出している。
• モデルは、実際の10分間隔風速データを用いて、10kW水平軸風力タービンの総エネルギー出力の期待値とその分散を的確に計算している。
• 2次依存性の組み込みにより、1次モデルと比較して風速ダイナミクスの表現が向上している。
• パフォーマンス分析により、分散による不確実性を含めたエネルギー生産の信頼性に関する定量的評価が可能になった。
• 結果から、高次半マルコフモデルを用いた風力発電システムにおけるパフォーマンス評価の実現可能性が示された。
• L.S.I.-Lastem局の公開済み風速データを用いたモデルの妥当性検証により、実用的応用性が確認された。