[論文レビュー] Economic Valuation and Pricing of Inertia in Inverter-Dominated Power Systems

Matthieu Paturet, Uros Markovic+4 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2020

Microgrid Control and Optimization参考文献 14被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、インバーター主導の電力系における慣性供給者の公平かつ透明な報酬支払いを実現するための3つの新規価格設定メカニズム—事後計算、効用関数に基づく、および上乗せ支払い—を提案する。周波数制約付きユニットコミットメント（UC）モデルを用い、エネルギーと慣性を同時に最適化することで、すべての手法が周波数安定性を向上させることを示しており、特に上乗せ支払いがシステム運用者にとって最も実用的かつ費用対効果に優れた解決策であることが明らかになった。

ABSTRACT

This paper studies the procurement and pricing of inertial response using a frequency-constrained unit commitment formulation, which co-optimizes the provision of energy and inertia services while accounting for their complementary properties. The proposed approach builds on a two-step process that allows to differentiate between the units being online for energy purposes and the ones committed additionally solely for inertia provision. Subsequently, three novel pricing and payment schemes that reimburse inertia providers in a transparent and fair manner according to their individual participation are proposed. The analysis considers both synchronous and converter-based generators and provides insights regarding the impact of each pricing scheme on total system cost, as well as on the investment signals for technologies capable of offering affordable inertial response. The results show that all three methods will have a beneficial impact on frequency stability and aid the operator in ensuring system reliability, whereas the policy implications to different inertia providing units will vary between the payment schemes.

研究の動機と目的

• インバーター型資源が主導する低慣性電力系において、慣性応答を公正に価格設定する市場メカニズムの増大するニーズに対応すること。
• 既存の手法が慣性を他のサービスとバンドルしているか、またはリアルタイムでの価値と費用回収を反映しないという限界を克服すること。
• 同期発電機とコンバーター型ユニット（仮想慣性を提供）の両者に対して、透明かつ公正な報酬支払いを保証すること。
• バッテリーや合成慣性を有する風力タービンなどの低コスト慣性提供技術への投資を促す明確な価格シグナルを提供すること。
• システム運用者が、システム状態や希少性に基づいて、慣性に対する支払い意思を動的に表現できるようにすること。

提案手法

• エネルギー用に稼働中のユニットと、慣性提供のためだけにコミットされたユニットを区別する2段階の周波数制約付きユニットコミットメント（UC）定式化を構築する。
• エネルギーと慣性サービスを同時に最適化し、それらの補完的性質と同期発電機のオン/オフの離散的ステータスを考慮する。
• 3種の異なる価格設定スキーム（事後計算、効用関数に基づく、上乗せ支払い）を適用し、個々の参加に基づく公正な報酬を決定する。
• 周波数セキュリティ制約をモデル化し、システム安定性を確保するために、混合整数2次錐計画法（MISOCP）を用いる。
• 従来の同期発電機に加え、バッテリーや風力発電機（仮想慣性を提供）などのコンバーター型ユニットを組み込む。
• 大規模なテストシステムを用い、仮想慣性の浸透率を変化させた状況下で、各スキームのシステムコスト、支払い配分、投資シグナルへの影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユニットコミットメントにおいて、エネルギーと補完的である非線形的かつ離散的な慣性サービスとしての慣性を、透明かつ公平に価格設定する方法は何か？
• RQ2 異なる価格設定メカニズムが、総システムコストおよび慣性供給者の財務的持続可能性に与える影響は何か？
• RQ3 仮想慣性の浸透率が変化することで、各価格設定スキームの性能とコストにどのような影響が生じるか？
• RQ4 同期発電機の費用回収を最適に支援するが、仮想慣性供給者に対して過剰な支払いを避けることができる価格設定メカニズムはどれか？
• RQ5 3つのスキームが、バッテリーや合成慣性を有する風力発電などの低コスト慣性提供技術への投資シグナルにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 3つの価格設定手法とも、同一の最適ユニットコミットメント解と€569,610の総システムコストをもたらし、UC定式化が各スキーム間で一貫していることを確認した。
• 手法2（効用関数に基づく）は、合計慣性支払いが€162,124にとどまり、送電系統運用者（TSO）にとって最も費用対効果に優れた結果を示した。
• 手法1（事後計算）は合計支払い€258,160、手法3（上乗せ支払い）は€187,948に達し、両者とも手法2を上回る金額となった。
• 仮想慣性の浸透率が0%から35%に上昇するに従い、手法1および手法3の支払い額は顕著に減少したが、手法2の支払い額は常に€162,124のまま安定した。
• 手法2では18ユニット中5ユニットが赤字利益を計上した一方、手法1および手法3では負の利益を計上するユニットはゼロであり、手法1および手法3がより良好な財務的安定性を示した。
• 上乗せ支払い（手法3）は、既存の実務慣行に馴染みやすく、事後計算の必要がなく、標準的なUC定式化と互換性があることから、最も実用的かつ有益なアプローチであると特定された。