[論文レビュー] Robust Integration of High-level Dispatchable Renewables in Power System Operation

Hongxing Ye, Jianhui Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2015

Electric Power System Optimization参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、高貫通率の再生可能エネルギー源（RES）を有する電力系において、調節可能な再生可能エネルギー源（RES）を柔軟なリソースとして扱う二段階のロバストユニットコミットメントモデルを提案する。RESを最大出力まで出力を制御可能な市場参加者としてモデル化することで、反復的サブプロブレムの解法を必要とせず、最悪ケースのシナリオを直接特定する。これにより、反復的でない方法でロバスト性を確保するが、追加シナリオはたった1つである。この手法により、計算負荷が低減され、従来のロバストUCモデルと比較して、RES統合度が向上し、システムコストが低下する。

ABSTRACT

The increasing penetration of Renewable Energy Sources (RES) requires more Flexibility Resources (FR), generally thermal units and storages, must be kept in the system to accommodate the uncertainties from RES. The challenge is how the system can survive when the RES level is very high. In this paper, RESs are considered as full-role market participants. They can bid in the day-ahead market, and the powers they deliver to the market are controllable up to their maximum available powers. Therefore, RESs are effectively dispatchable and can function as FR providers. To integrate dispatchable renewables, a two-stage robust Unit Commitment (UC) and dispatch model is established. In the first stage, a base UC and dispatch is determined. In the second stage, all FRs including RESs are used to accommodate the uncertainties, which is a Mixed-Integer Programming (MIP) problem. It is proved that the solution to the max-min problem can be identified directly whether the strong duality holds or not for the inner minimization problem. The solution robustness is guaranteed by including only one extra scenario. Numerical results show the effectiveness of the proposed model and its advantages over the traditional robust UC model with high level RES penetration.

研究の動機と目的

• 高比率の再生可能エネルギー源（RES）を電力系に統合しつつ、システムの安全性と柔軟性を維持する課題に対処すること。
• 非調節可能なRESを用いた従来のロバストSCUCモデルの過剰な慎重さと高い計算コストを克服すること。
• RESを最大出力まで出力を制御可能な調節可能な市場参加者としてモデル化することで、RESが柔軟なリソースとして機能できることを実現すること。
• 反復的ベンドラーズ法やカラム生成法を必要としない、計算効率の良いロバスト最適化フレームワークを構築し、解のロバスト性を保証すること。
• 調節可能なRESが柔軟性を提供し、特に高い不確実性レベル下で総システムコストを低減できることを示すこと。

提案手法

• 二段階ロバストユニットコミットメント（UC）およびディスpatchモデルを定式化し、第一段階でベースUCとディスパッチを決定し、第二段階ですべての柔軟リソース（調節可能なRESを含む）を不確実性に適応させる。
• 双対性理論を用いて、第二段階の再ディスパッチ問題の最悪ケースのシナリオを直接特定する。強い双対性が成立する必要はなく、ロバスト性が保証される。
• ロバスト性は、最悪ケースのシナリオをたった1つ追加することで保証され、反復的ベンドラーズ法やカラム生成法の必要がなくなる。
• 調節可能なRESは、日当り市場に入札し、最大利用可能出力まで電力を供給可能な市場参加者としてモデル化され、実際には柔軟な調節リソースとして機能する。
• モデルは混合整数計画問題（MIP）として定式化され、双対性に基づく最悪不確実性の特定により、非凸なmax-minサブプロブレムの解法を回避する。
• IEEE 118バス系統を用いた数値的検証を、不確実性レベル、RES入札価格、高速起動ユニットの構成が変化する条件下で実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高貫通率下のロバストユニットコミットメントにおいて、調節可能な再生可能エネルギー源を効果的に柔軟なリソースとしてモデル化できるか？
• RQ2 強い双対性の仮定なしに、反復的サブプロブレムの解法を必要とせず、最悪不確実性シナリオを直接特定できるか？
• RQ3 RESの調節可能性が、高不確実性下でのシステムコスト、RES調達、システムの柔軟性に与える影響は何か？
• RQ4 高速起動ユニットの導入が、RES統合とシステム運用コストに与える影響は何か？
• RQ5 提案モデルはたった1つの追加シナリオでロバスト性を達成できるか？また、既存のロバストUC手法と比較して計算コストはどのように異なるか？

主な発見

• RESエネルギー調達を最適化した30%の不確実性レベル下で、総システムコストが9.58%低減した。これは、予備を熱機器に依存するほうが、全量のRESエネルギーを調達するよりも経済的であることを示している。
• 5$/MWhの入札価格の場合、最悪ケースコストの重み係数を0から1に増加させると、RESエネルギー調達は91.93%から80.16%に低下した。これは、最悪ケースに過剰に最適化しようとすると、RESの活用度が低下することを示している。
• 高速起動ユニットを導入した場合、5$/MWhの入札価格下で、RESエネルギー調達は91.06%から98.57%に上昇した。これは、柔軟なリソースが再生可能エネルギーの吸収能力を高めることを示している。
• IEEE 118バス系統において、モデルの解は2秒以内に得られ、加速技術を用いない既存のロバストUC手法が2時間以内に収束しないのと比べ、著しく優れている。
• 強い双対性が成立しない状況でも、双対性を用いて最悪ケースのシナリオを直接特定でき、1つの追加シナリオでロバスト性を確保し、反復的ベンドラーズ法やカラム生成プロセスを排除できる。
• 非調節可能なRESを仮定した従来のロバストUCモデルは、高RES貫通率下で不実行となるが、本モデルは調節可能なRESのおかげで実行可能性とロバスト性を維持する。