[論文レビュー] Trilevel Scheduling Model Considering Residential Demand Flexibility of Aggregated HVACs and EVs under Distribution LMP

Xiaofei Wang, Fangxing Li+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2021

Smart Grid Energy Management参考文献 27被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、配電系locational marginal pricing（DLMP）下で集約された住宅用HVACおよびEVの需要柔軟性を活用する三段階スケジューリングモデルを提案する。データ駆動型パrameter推定法と優先順位リストベースのディスpatchアルゴリズムを用い、アグリゲーターの支払いとシステム効率を最適化し、負荷シフト、DLMPの段階的変化、損失低減を通じてコスト削減を実現。IEEE 33母線系統を用いた実証により、定量的コスト削減を確認した。

ABSTRACT

Residential loads, especially heating, ventilation, and air conditioners (HVACs) and electric vehicles (EVs) have great potentials to provide demand flexibility which is an attribute of Grid-interactive Efficient Buildings (GEB). Under this new paradigm, first, EV and HVAC aggregator models are developed in this paper to represent the fleet of GEBs, in which the aggregated parameters are obtained based on a new approach of data generation and least-squares parameter estimation (DG-LSPE), which can deal with heterogenous HVACs. Then, a tri-level bidding and dispatching framework is established based on competitive distribution operation with distribution locational marginal price (DLMP). The first two levels form a bilevel model to optimize the aggregators payment and to represent the interdependency between load aggregators and the distribution system operator (DSO) using DLMP, while the third level is to dispatch the optimal load aggregation to all residents by the proposed priority list-based demand dispatching algorithm. Finally, case studies on a modified IEEE 33-Bus system illustrate three main technical reasons for payment reduction due to demand flexibility: load shift, DLMP step changes, and power losses. They can be used as general guidelines for better decision-making for future planning and operation of demand response programs.

研究の動機と目的

• 配電網における需要柔軟性を提供するため、住宅用HVACおよびEVをスケーラブルに集約するフレームワークの構築を目的とする。
• DLMP信号を用いて、負荷アグリゲーターと配電系統運用者（DSO）の相互依存関係をモデル化することを目的とする。
• 効率的な集約住宅負荷のスケジューリングを実現する優先順位リストベースのディスpatchアルゴリズムの設計を目的とする。
• DLMP下での需要応答プログラムにおけるコスト削減の技術的要因を特定することを目的とする。
• 今後の需要応答プログラムの計画および運用に役立つ実務的知見を提供することを目的とする。

提案手法

• 異種のHVACおよびEVを集約パrameterでモデル化するために、データ生成および最小二乗法によるパrameter推定（DG-LSPE）手法を用いる。
• 三段階最適化フレームワークを構築：第1段階と第2段階は、DLMPを介したDSOとの連携を含むアグリゲーター支払い最適化の二段階モデルを形成する。
• 第3段階では、個々の住民に最適な負荷スケジュールを割り当てる優先順位リストベースの需要ディスパッチアルゴリズムを実装する。
• DLMP信号を統合し、スケジューリング意思決定にネットワークの混雑状態と損失の影響を反映させる。
• 実際の住宅負荷プロファイルを用いた修正版IEEE 33母線配電系統を用いて、フレームワークを実証する。
• 感度分析により、主なコスト削減メカニズム（負荷シフト、DLMPの段階的変化、電力損失低減）を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異種の住宅用HVACおよびEVは、いかに効果的に集約され、配電網における需要柔軟性を表現できるか？
• RQ2 競争的な配電環境下で、DLMPはアグリゲーターの支払いおよびスケジューリング意思決定にどのような影響を及えるか？
• RQ3 負荷シフト、DLMPの段階的変化、電力損失低減は、需要応答においてコスト削減にどのように寄与するか？
• RQ4 どのようなディスパッチ戦略が、住宅単位間での柔軟性の効率的かつ公平な割り当てを保証するか？
• RQ5 提案された三段階フレームワーク下で、測定可能なコスト削減を実現する技術的要因は何か？

主な発見

• 負荷シフトにより、HVACおよびEVの充電をDLMPが低い期間に再スケジューリングすることで、支払いが顕著に削減される。
• ネットワーク混雑状態に起因するDLMPの段階的変化が、価格差を生じさせ、柔軟性のインcentiveを提供し、アグリゲーターのコストを低減する。
• 最適化されたスケジューリングによる電力損失の低減が、配電網全体で測定可能なコスト削減をもたらす。
• DG-LSPE手法は、異種HVAC特性を効果的に捉え、大規模モデリングに適した正確な集約を可能にする。
• 優先順位リストベースのディスパッチアルゴリズムは、ユーザーの快適性制約を維持しながらも、安定的かつ効率的な負荷割り当てを実現する。
• ケーススタディにより、三段階モデルが協調的な柔軟性を活用してアグリゲーター支払いを削減することが確認され、三つの技術的メカニズムがすべて、コスト削減に寄与していることが定量的に示された。