[論文レビュー] Representation of Distribution Grid Expansion Costs in Power System Planning

Luis Böttcher, Christian Fröhlich+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Integrated Energy Systems Optimization被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、システム的電力系統計画における配電系統の拡張コストおよび運用制約を表現するための新規手法、実現可能計画領域（FPR）を導入する。複数の電圧レベルおよび都市化タイプにおける物理的制約と投資コストを統合することで、FPRは将来のエネルギーシステムのより正確でコスト反映型の最適化を可能にし、簡略化モデルと比較してより高い分散型太陽光発電の統合と送電損失の低減を実現する。

ABSTRACT

The shift towards clean energy brings about notable transformations to the energy system. In order to optimally plan a future energy system, it is necessary to consider the influence of several sectors as well as the interaction of the transmission grid and distribution grid. The concept of Feasible Operation Region (FOR) is a detailed approach to representing the operational dependencies between the transmission and distribution grid. However, in previous planning procedures, only a simplified expansion of the distribution grids can be taken into account. With the method presented in this paper, a Feasible Planning Region (FPR) is developed, which represents the operational boundaries of the distribution grids for several expansion stages and thus represents an admissible solution space for the planning of distribution grids in systemic planning approaches. It hence enables a more detailed representation of the necessary distribution grid expansion for the integration of distributed technologies in an optimized energy system of the future. In this paper, we present the method by which the FPR is formed and its integration into an energy system planning formulation. In the results, the FPR is presented for different voltage levels, and its use in power system planning is demonstrated.

研究の動機と目的

• システム的エネルギーシステム計画において、配電系統の拡張コストおよび運用制約の詳細な表現が不足している問題に対処すること。
• 異なる電圧レベルおよび都市化タイプにおける配電系統インfraストラクチャー投資と物理的運用制約の相互作用を捉える手法を開発すること。
• 配電系統の実現可能性をシステム全体最適化モデルに組み込むことで、TSO-DSO連携計画を可能にすること。
• 配電系統コストおよび制約を組み込むことで、将来のエネルギーシステムにおける技術選定およびシステム構成がどのように変化するかを示すこと。

提案手法

• 実現可能計画領域（FPR）は、電力潮流方程式およびグリッドパラメータを用いて、複数の拡張段階における配電系統の運用境界をモデル化することで構築される。
• FPRは、熱容量制限、電圧制限などの物理的制約および、10–20 kV、110 kVなどの異なる電圧レベル、および農村、準都市的、都市的などの都市化レベルにおける投資コストを統合する。
• FPRは、解空間に経済的コストと両立する実現可能性を反映させるために、Feasible Operation Region（FOR）概念を拡張し、投資コスト要因を含める。
• FPRは大規模エネルギーシステム最適化モデルに埋め込まれ、送電系統と配電系統の連携計画を可能にする。
• 本手法は、歴史的気象データおよび従来型発電所の維持を根拠に、37ノード（1カ国1ノード）の縮小されたヨーロッパネットワークと、2030年のグリーンフィールドシナリオを用いる。
• FPRを含まないケース（無制限容量、コストなし）とFPRを含むケース（コストおよび物理的制約あり）の2つのシナリオを比較し、システム構成への影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 配電系統の拡張コストおよび物理的制約を組み込むことで、将来のエネルギーシステムの最適な構成はどのように変化するか？
• RQ2 異なる電圧レベルおよび都市化タイプは、実現可能計画領域（FPR）の形状およびコストにどのように影響を与えるか？
• RQ3 簡略化モデルと比較して、FPRは技術導入、特に分散型太陽光発電および風力発電にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 FPRは、送電系統と配電系統間の接続電力フローおよび送電損失にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• FPRの組み込みにより、接続電力フローを削減し、高価な配電系統拡張を回避できるため、屋根設置型太陽光発電の導入が増加する。
• FPRを含むシナリオBでは、局所的発電のおかげでTSO/DSO界面における送電損失が15–20%低減されている。
• FPRモデルは、都市および準都市地域において陸上風力から分散型太陽光発電へのシフトをもたらし、地域的発電のコストおよび物理的実現可能性を反映している。
• FPRの形状およびコストは電圧レベルおよび都市化タイプによって顕著に異なるが、都市部ではきびしい制約と高い投資コストが見られる。
• FPRはTSO-DSO連携のより正確な表現を可能にし、配電系統コストを無視すると最適でないシステム構成が生じることを明らかにした。
• 本研究は、FPR統合が物理的および経済的制約を適切にモデル化した場合、分散型技術を優遇する最適なエネルギーシステムミックスをもたらすことを示した。