[論文レビュー] Generic Demand Modelling Considering the Impact of Prosumers for Future Grid Scenario Studies

Hesamoddin Marzooghi, Shariq Riaz+3 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2016

Smart Grid Energy Management被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、屋根付き太陽光発電およびバッテリーストレージを備えたプロシューマーの集約的行動を捉える、市場構造に依存しない二段階最適化に基づく汎用的需要モデルを提案する。このモデルは、将来の電力系統におけるネット需要をシミュレートすることを目的としている。モデルは、プロシューマーの浸透率が上昇することで、系統の柔軟性が向上し、負荷耐性が向上し、特にオーストラリア国立電力市場において、再生可能エネルギーの高い統合状況下でも電圧安定性が向上することを示している。

ABSTRACT

High penetration of intermittent renewable energy sources (RESs) in future grids (FGs) requires flexible resources such as energy storage and demand response (DR) to maintain the balance between demand and supply. At the same time, residential battery storage is becoming an increasingly sound proposition for users with rooftop photovoltaic (PV). Hence, in this paper, we propose a generic demand model which represents the aggregated effect of price-responsive users equipped with rooftop PV-battery systems (prosumers) for modelling net future demand in FG scenario studies. The model that is market structure agnostic aims to mimic the behaviour of an efficient future electricity market provided a suitable mechanism for DR aggregation is adopted. The framework is based on a bi-level optimisation in which a unit commitment (UC) problem is taken as the upper-level optimisation aiming to minimise the total electricity cost. The lower-level optimisation is formulated in terms of an aggregation of prosumers aiming to maximise their self-consumption. Case studies explore the influence of different penetration of prosumers on performance, loadability and voltage stability of the Australian National Electricity Market with an increased penetration of RESs.

研究の動機と目的

• 間歇的再生可能エネルギー源（RESs）の高浸透による、将来の系統における柔軟リソースの需要増加に対応する。
• 屋根付き太陽光発電およびバッテリーストレージを備えた価格反応型住宅プロシューマーの集約的影響を、ネット需要にモデル化する。
• 電力市場設計に依存しない枠組みを構築し、需要応答の集約を通じて、将来の電力市場行動を効率的にシミュレートする。
• プロシューマーの浸透率が、将来の系統シナリオにおけるシステム性能、負荷耐性、および電圧安定性に与える影響を評価する。
• 将来的な系統シナリオ研究に適用可能なスケーラブルで汎用的な需要モデリング手法を提供する。特に、再生可能エネルギー統合度の高い系統に適している。

提案手法

• 二段階最適化フレームワークを定式化する：上段は、合計電力コストを最小化するユニットコンミットメント（UC）問題である。
• 下段は、価格信号に応じたプロシューマーの集約的自己消費を最適化し、個々の意思決定行動を表現する。
• プロシューマーを価格に反応する主体としてモデル化し、屋根付き太陽光発電およびバッテリーストレージを備える。自己消費の最大化とグリッドからの電力輸入の最小化に焦点を当てる。
• 市場クリアリングの一貫性を保つために、UC問題と統合することで、全体のシステムにプロシューマーのモデルを統合する。
• 市場構造に依存しないアプローチを用いることで、さまざまな電力市場設計への適用可能性を保証する。
• プロシューマーの浸透率を変化させた状況下で、オーストラリア国立電力市場をシミュレートし、システムレベルの影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再生可能エネルギー源が多数導入された将来の電力系統において、プロシューマーの浸透率が上昇することで、ネット需要プロファイルにどのような影響を与えるか？
• RQ2 プロシューマー主導の需要応答および自己消費は、どの程度システムの負荷耐性および電圧安定性を向上させるか？
• RQ3 異なるプロシューマーの浸透率が、合計電力コストおよびシステム運用効率に与える影響は何か？
• RQ4 提案された二段階最適化モデルは、市場構造に依存しない形で、プロシューマーの集約的行動をどの程度正確に表現できるか？
• RQ5 プロシューマーの統合は、将来の系統シナリオにおいて、供給と需要のバランスをどのように変化させるか？

主な発見

• プロシューマーの浸透率が高まることで、ネットピーク負荷が顕著に低減し、システムの負荷耐性が向上し、送電インfraのストレスが軽減される。
• 局所的エネルギー生産と逆潮流の低減により、プロシューマーの導入が進むと、電圧安定性が向上することがモデルで示された。
• 集約的プロシューマーの自己消費により、全体の電力輸入ニーズが減少し、ユニットコンミットメントフレームワーク内での合計システムコストが低下する。
• 二段階最適化フレームワークは、特定の市場メカニズムに依存せずに、プロシューマーの戦略的行動を効果的に捉えている。
• ケーススタディでは、プロシューマー統合が系統の柔軟性を向上させ、運用の安全性を損なわず、再生可能エネルギーの高い統合を可能にしている。
• 市場構造に依存しない設計により、本モデルは、将来のさまざまな電力市場設計および規制フレームワークへの広範な適用可能性を確保している。