[論文レビュー] Evaluation of Energy Resilience and Cost Benefit in Microgrid with Peer-to-Peer Energy Trading

Divyanshi Dwivedi, K. Victor Sam Moses Babu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2022

Smart Grid Energy Management被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、協力的ゲーム理論と複雑ネットワーク分析を用いて、コスト効果とエネルギーレジリエンスの両方を評価する、レジリエントなマイクログリッドにおけるピアツーピア（P2P）エネルギー取引モデルを提案する。IEEE 123バス系統に太陽光発電（PV）およびバッテリーストレージを統合することで、P2P取引により年間のグリッド電力使用量が17,852kWh削減され、レジリエンスが10.67%向上し、世帯全体で平均5.81%のコスト削減が達成された。

ABSTRACT

Integration of distributed energy resources (DERs) at a residential level has given way to the development of a self-sufficient energy-resilient system and peer-to-peer (P2P) energy trading at a community level. Several researchers have developed models to implement energy trading in the P2P network with DERs that enables prosumers to avail cost benefits. However, the impact of DERs and P2P energy network on the system's resilience is not evaluated with a quantifiable measure. In this work, we use the percolation threshold as a measure to quantify energy resilience, which can be computed using complex network. We consider a standard IEEE-123 node test feeder integrated with renewable energy sources and partitioned into microgrids. The microgrid with the highest percolation threshold value is considered for P2P energy trading analysis. We use cooperative game theory to model the P2P energy trading so that all prosumers take part rationally. The simulation is carried out using time series data of houses with varying load profiles, solar generation, and energy storage capacities. The results show 5.81\% of total cost benefit in a year and 10.67\% improvement in the resilience of the system due to P2P energy trading.

研究の動機と目的

• ピアツーピア（P2P）エネルギー取引が住宅用マイクログリッドにおけるエネルギーのレジリエンスとコスト効率に与える影響を評価すること。
• 時間的エネルギーデータに複雑ネットワーク理論を適用し、その導出されたパーコレーション閾値を用いてレジリエンスを定量化すること。
• 協力的ゲーム理論を用いてP2Pエネルギー取引をモデル化し、すべてのプロシューマーが公平かつ利益を得られるコスト配分メカニズムを確保すること。
• 実際の負荷、太陽光発電および蓄電プロファイルを想定した条件下で、P2P取引有無におけるマイクログリッドの経済的およびレジリエンス性能を比較すること。
• 再生可能エネルギー統合、エネルギー貯蔵、P2P取引の組合せが長期的なシステムのレジリエンスと世帯のコスト削減に与える影響を評価すること。

提案手法

• 48世帯の住宅にわたる分散型エネルギー資源（DERs）として太陽光発電（PV）およびバッテリーストレージを備えた、変更されたIEEE 123バス系統のシミュレーションを実施。
• スイッチング操作を用いてシステムをマイクログリッドに分割し、パーコレーション閾値が最大のマイクログリッドを分析対象として選定。
• 時間的エネルギーデータ（グリッドの電力受電・送電）から可視性グラフを構築し、システムを複雑ネットワークとしてモデル化。
• 単変量エネルギー時間的データの相関行列を用いてパーコレーション閾値を計算し、ネットワークのレジリエンスを定量化。
• 核に基づくコスト配分メカニズムを用いて協力的ゲーム理論を適用し、プロシューマー間での安定的かつ公平なエネルギー取引を確保。
• 時間帯別料金（ToU）およびネットメーターイング政策を統合し、P2P取引モデルにおける現実の請求条件を反映。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 P2Pエネルギー取引は、パーコレーション閾値で測定されるマイクログリッドのエネルギーレジリエンスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 P2Pエネルギー取引に参加する世帯は、中央集権的グリッドのみの運用と比較して、年間でどの程度のコスト削減を得られるか？
• RQ3 P2P取引により、1年間を通じてグリッドから引き出すエネルギーの合計量はどのように変化するか？
• RQ4 P2P取引は、レジリエンス指標が示すように、破壊的イベントに対するシステムの耐性をどの程度高めるか？
• RQ5 協力的ゲーム理論を用いて、すべてのプロシューマーが経済的に利益を得られる安定的かつ公平なP2Pエネルギー取引メカニズムを設計できるか？

主な発見

• P2Pエネルギー取引により、年間のグリッド電力使用量が492,483kWhから474,631kWhに削減され、合計で17,852kWhの削減が達成された。
• パーコレーション閾値は、P2Pなしの0.22653からP2Pありの0.25077に上昇し、システムのレジリエンスが10.67%向上した。
• 48世帯すべての平均年間コスト削減率は5.81%であり、個々の削減率は1.53%から20.98%の範囲にわたり、均等な利益配分が実現した。
• 1月には最高で7.99%の月間コスト削減が達成されたが、4月と5月は太陽光発電量の高さと需要の低さにより、最小限の削減（0.87%および0.21%）にとどまった。
• 27世帯が5%未満の削減、17世帯が5%から10%の削減、4世帯が10%以上の削減を達成し、利益配分の公平性が裏付けられた。
• 協力的ゲーム理論に基づくモデルにより、安定的かつ公平なコスト配分が実現し、すべてのプロシューマーが合理的にエネルギー取引に参加し、利益を得られることが保証された。