[論文レビュー] Multi-scale Transactive Control In Interconnected Bulk Power Systems Under High Renewable Energy Supply and High Demand Response Scenarios

David P. Chassin|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2017

Smart Grid Energy Management参考文献 126被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、高比率の再生可能エネルギーおよび需要応答が導入された相互接続型送電系統において、リアルタイム市場信号と自律的応答を用いて、エリア、フィーダ、デバイスレベルの階層的制御を統合するマルチスケールのトランザクティブ制御フレームワークを提案する。主な貢献は、高変動性および事象発生時においてもシステム安定性を維持できる、共同最適化された動的制御アーキテクチャを実現したことである。

ABSTRACT

This thesis presents the design, analysis, and validation of a hierarchical transactive control system that engages demand response resources to enhance the integration of renewable electricity generation resources. This control system joins energy, capacity and regulation markets together in a unified homeostatic and economically efficient electricity operation that increases total surplus while improving reliability and decreasing carbon emissions from fossil-based generation resources. The work encompasses: (1) the derivation of a short-term demand response model suitable for transactive control systems and its validation with field demonstration data; (2) an aggregate load model that enables effective control of large populations of thermal loads using a new type of thermostat (discrete time with zero deadband); (3) a methodology for optimally controlling response to frequency deviations while tracking schedule area exports in areas that have high penetration of both intermittent renewable resources and fast-acting demand response; and (4) the development of a system-wide (continental interconnection) scale strategy for optimal power trajectory and resource dispatch based on a shift from primarily energy cost-based approach to a primarily ramping cost-based one. The results show that multi-layer transactive control systems can be constructed, will enhance renewable resource utilization, and will operate in a coordinated manner with bulk power systems that include both regions with and without organized power markets. Estimates of Western Electric Coordionating Council (WECC) system cost savings under target renewable energy generation levels resulting from the proposed system exceed US$150B annually by the year 2024, when compared to the existing control system.

研究の動機と目的

• 相互接続型送電系統における高比率の再生可能エネルギーおよび需要応答の統合に伴う課題に取り組み、信頼性と経済効率性を維持すること。
• リアルタイムにエネルギーおよび系統支援サービスをエリア、フィーダ、デバイスレベルで調整できる階層的制御アーキテクチャを構築すること。
• 分散型資源による自律的かつ迅速な応答を可能にすることで、通常および非常時におけるシステム安定性を確保すること。
• 複数の時間スケールでリアルタイムエネルギーおよび系統支援サービス市場を共同最適化し、スマートグリッド資産が複数の収益源に参加できるようにすること。
• システム状態に応じて制御重みを動的に調整することにより、高変動性下でも周波数および電圧安定性を維持すること。

提案手法

• 2段階の市場ベースのアプローチを採用：日次ユニットコミットメントとリアルタイム経済 dispatch で、5–180分ごとにリアルタイム調整を実施する。
• エリア制御を用いてバランスングオーソリティ間の発電と負荷のバランスを調整し、市場清算結果から導出される tie-line 力率の参照値に依存する。
• フィーダレベル制御を実装し、エリアレベルの電力参照値と小売市場信号の整合性を図り、非常時におけるシステム安定性を最優先する。
• ローカル電圧および周波数信号に応答する自律的デバイスレベルコントローラーを導入し、システムストレス時におけるローカル制御の抑制により、発振の発生を防止する。
• リアルタイム市場レベルで、エネルギーと系統支援サービス（例：周波数調整、スパニングリザーブ）の共同最適化を、動的重み関数を用いて実現する。
• システム慣性および電力不均衡下での周波数応答をモデル化するため、スイング方程式およびシステム周波数ダイナミクス（$df/dt = M\Delta P + D\Delta f$）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高再生可能エネルギーおよび需要応答の統合を管理するため、複数スケール（エリア、フィーダ、デバイス）にわたるトランザクティブ制御をどのように構築できるか？
• RQ2 通常および非常時におけるシステム安定性を維持しつつ経済効率性を確保する制御アーキテクチャとは何か？
• RQ3 スマートグリッド資産が複数の収益源に参加できるように、リアルタイムエネルギーおよび系統支援サービス市場をどのように共同最適化できるか？
• RQ4 システム全体の安定性を損なわずに、分散型資源からの自律的かつ迅速な応答を実現するメカニズムは何か？
• RQ5 異なるシステム状態下で、エリア市場と小売市場からの対立する電力参照値をフィーダレベル制御がどのように調和できるか？

主な発見

• マルチスケールのトランザクティブ制御フレームワークは、リアルタイム市場信号と自律的応答を用いて、エリア、フィーダ、デバイスレベルのエネルギーおよび系統支援サービスの協調を成功裏に実現した。
• 通常運転時、小売市場の電力参照値に高い重みを付けることで経済的ディスpatchを優先するが、非常時ではエリア制御信号を優先することで安定性を確保する。
• フレームワークにより、スマートグリッド資産が5分周期のリアルタイムサイクルで市場契約を共同最適化することにより、エネルギー取引および周波数調整などの複数の収益源に参加可能となった。
• フィーダコントローラーは、コンGESTION や分散型再生可能エネルギーの変動といったローカル制約を、動的セットポイント調整および必要に応じたローカル制御信号の抑制により効果的に管理した。
• 通信障害や非常時条件下でも、負荷および分散型資源による協調的かつ自律的な応答により、周波数および電圧安定性が維持された。
• 制御システムにおける動的重み関数の使用により、ストレス状態下で純粋な経済的目標からシステム安定性の優先に移行でき、NERCの信頼性基準を満たした。