[論文レビュー] Towards a systematic characterization of the potential of demand side management

David Kleinhans|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2014

Smart Grid Energy ManagementEngineering参考文献 18被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、個々のデバイスおよびセクターの負荷シフト能力を時間依存のサイズと容量を持つ等価エネルギー貯蔵バッファとしてモデル化することにより、需要側管理（DSM）の潜在能力を体系的かつ時間分解能をもって特徴付ける、時間分解能付きで貯蔵同等のフレームワークを提案する。この手法により、運用の複雑さを抽象化することで、大規模エネルギー系モデルへの直接統合が可能となり、実世界の制約（スケジューリングやシフト窓）を考慮しつつ、エネルギー貯蔵の特性を反映した標準化され、比較可能なDSMの指標が得られる。

ABSTRACT

With an increasing share of electric energy produced from non-dispatchable renewable sources both energy storage and demand side management might gain tremendously in importance. While there has been significant progress in general properties and technologies of energy storage, the systematic characterization of features particular to demand side management such as its intermittent, time-dependent potential seems to be lagging behind. As a consequence, the development of efficient and sustainable strategies for demand side management and its integration into large-scale energy system models are impeded. This work introduces a novel framework for a systematic time-resolved characterization of the potential for demand side management. It is based on the specification of individual devices both with respect to their scheduled demand and their potential of load shifting. On larger scales sector-specific profiles can straightforwardly be taken into account. The potential for demand side management is then specified in terms of size and capacity of an equivalent storage device. This intermediate layer of abstraction isolates the gross effects and opportunities of demand side management from questions concerning the operation of individual devices, which eases the integration of the results in existing schemes for the commitment of production units and system models. The novel framework is applicable for conceptual or predictive approaches and for real-time optimization and operation of energy systems involving demand side management.

研究の動機と目的

• 大規模エネルギー系モデルにおける需要側管理（DSM）の潜在能力に対する体系的で時間分解能のある特徴付けの不足に対処すること。
• 個々のデバイス制御からDSMを抽象化し、システムレベルのシミュレーションに使用可能な集計バッファのサイズと容量に焦点を当てた手法の開発。
• DSMの潜在能力を等価貯蔵の観点（サイズと容量）で表現することにより、DSMとエネルギー貯蔵の直接比較を可能にすること。
• スケーラブルな中間抽象化層を提供することで、エネルギー系における概念的・予測的・リアルタイム最適化を支援すること。
• 時間依存の制約（負荷スケジューリングやシフト窓）を考慮した形でDSM潜在能力を形式化すること。

提案手法

• フレームワークは、スケジュールされた負荷プロファイルと負荷シフトの可能性（時間窓Δtcで定義）に基づいて個々のデバイスをモデル化する。
• 時間連続的な負荷関数Lc(t)と負荷容量関数Λc(t)を導入し、需要と柔軟性を表現する。
• 最大および最小バッファサイズは、時間積分を用いて算出され、エネルギーの前倒しまたは後ろ倒しに蓄えられる量を推定する。
• 離散データの場合、負荷および容量の区分的定数近似を用い、積分を時間間隔における直接加算に置き換える。
• 結果として得られるバッファサイズの上限E_max(t)および下限E_min(t)は、シフト窓と負荷期間の時間的重複に基づく区分的条件を用いて計算される。
• デバイスレベルの制御および反動効果は抽象化され、ユニットコミットメントやシステムモデルへの統合に向けた、大規模なシステムレベルの潜在能力に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、大規模エネルギー系モデルへの統合を可能にする体系的かつ時間分解能のあるDSM潜在能力の特徴付けが可能になるか？
• RQ2 負荷シフト制約およびスケジューリングを考慮した場合、DSMの等価貯蔵容量とサイズは何か？
• RQ3 DSMを時間依存のサイズと容量を持つ貯蔵同等のバッファとして形式化することで、エネルギー貯蔵技術と直接比較できるようにするにはどうすればよいか？
• RQ4 離散時間データが実用的応用におけるDSMバッファエナメル推定に与える影響は何か？
• RQ5 長期エネルギーバランスに影響を与えるクラス2DSM行動は、提案されたフレームワーク内でどのように一般化できるか？

主な発見

• 提案されたフレームワークにより、時間依存のサイズと容量を持つ等価エネルギー貯蔵バッファとしてモデル化することにより、DSM潜在能力の体系的かつ時間分解能のある特徴付けが可能になった。
• この手法により、デバイスレベルの運用複雑性からDSM潜在能力を分離する標準化された抽象化層が提供され、既存のエネルギー系モデルへの統合が容易になった。
• E_max(t)およびE_min(t)のバッファサイズの上限・下限は、シフト窓と負荷スケジューリングを考慮した区分的関数を用いて導出され、連続的積分を用いずとも正確な推定が可能になった。
• 離散時間データの場合、フレームワークは積分を時間間隔における直接加算に置き換えることで、計算効率と実用的適用性が向上した。
• このアプローチはクラス1DSM（長期エネルギー不均衡を生じさせない）をサポートでき、エネルギーバランス制約を緩和することでクラス2DSMへ拡張可能である。
• 得られた貯蔵同等の指標により、DSMとエネルギー貯蔵のサイズおよび容量の観点から直接比較が可能となり、システムレベルの計画および最適化が強化された。