[論文レビュー] Non-Wire Alternatives: an Additional Value Stream for Distributed Energy Resources

Jesus E. Contreras-Ocaña, Yize Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Electric Power System Optimization参考文献 45被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、分散型エネルギー資源（DERs）への投資、運用、および伝統的な容量拡張のタイミングを同時に最適化するフレームワークを提案する。このフレームワークは、インfraストラクチャの更新を遅らせる価値を主要な経済的駆動要因として明示的に組み込む。拡張タイミングを意思決定変数としてモデル化し、ロバスト最適化とダンツィッヒ＝ウルフ分解を用いることで、大規模かつ非凸な計画問題を効率的に解き、ワシントン大学キャンパスにおいてDERsが高価な更新を遅らせることが可能で、顕著なコスト削減が達成されることを示している。

ABSTRACT

Distributed energy resources (DERs) can serve as non-wire alternatives (NWAs) to capacity expansion by managing peak load to avoid or delay traditional expansion projects. However, the value stream derived from using DERs as NWAs is usually not explicitly included in DER planning problems. In this paper, we study a planning problem that co-optimizes investment and operation of DERs and the timing of capacity expansion. By including the timing of capacity expansion as a decision variable, we naturally incorporate NWA value stream of DERs into the planning problem. Furthermore, we show that even though the resulting optimization problem could have millions of variables and is non-convex, an optimal solution can be found by solving a series of smaller linear problems. Finally, we present a NWAs planning problem using real data from the Seattle Campus of the University of Washington.

研究の動機と目的

• 伝統的な容量拡張の遅延の経済的価値を明示的に組み込むことで、DER計画におけるギャップを埋める。
• 負荷、太陽光発電、エネルギー効率の不確実性を考慮した下で、DER投資、運用、および容量拡張タイミングの共同最適化を行う。
• 拡張タイミングの組み込みによって生じる大規模かつ非凸な計画問題を解くための実行可能な解法手法を開発する。
• シアター・オブ・ワシントン大学シーレスキャンパスの実データを用いて、本フレームワークの実用的価値を示す。

提案手法

• 容量拡張のタイミングを意思決定変数として扱う長期計画問題を定式化し、資金の時間的価値と遅延の利益を明示的にモデル化可能にする。
• 負荷、太陽光発電、エネルギー効率性能の不確実性を扱うためにロバスト最適化を用い、保護レベルはΓパラメータで制御する。
• ダンツィッヒ＝ウルフ分解を適用して大規模問題を小さな部分問題に分解し、非凸性を数十～数百変数を有するマスタープロブレムに限定する。
• マスタープロブレムを、すべての可能な拡張年度を列挙して解き、それぞれの小規模線形計画問題を逐次解いて最適な年度を選択する。
• カラム生成アプローチを用い、部分問題がマスタープロブレムのためのコストおよび負荷の提案を生成し、双対変数をペナルティ重みとして使用する。
• 拡張タイミングを固定することで非凸性を排除し、すべての可能な年度に対して解を評価して最適なものを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 伝統的な容量拡張の遅延の価値を、DER計画フレームワーク内で効果的に捉え、最適化することは可能か？
• RQ2 現実の経済的・運用的制約を反映するように、DER投資、運用、拡張タイミングの共同最適化をどのように定式化できるか？
• RQ3 長期計画において拡張タイミング意思決定がもたらす大規模さと非凸性に対処するための効率的解法技術は何か？
• RQ4 DERsは、ワシントン大学キャンパスで、高価な変電所および受電線路の更新をどの程度遅らせることができるか？

主な発見

• 拡張遅延を意思決定変数として組み込むことで、DERにとって顕著な価値シームが捉えられ、プロジェクトの実現可能性が20％から50％まで向上する可能性がある。
• 提案されたダンツィッヒ＝ウルフ分解アプローチにより、大規模かつ非凸な問題が、解ける小規模な線形計画問題に還元され、効率的な解法が可能になる。
• 本手法は、それぞれが異なる拡張年度に対応する少数の線形部分問題を解くことで、容量拡張の最適タイミングを的確に同定する。
• シアター・オブ・ワシントン大学シーレスキャンパスでの事例研究では、DERsが変電所および受電線路の更新を遅らせられ、モンテカルロシミュレーションにより解のロバストネスが検証された。
• 最適解は、不確実性をロバスト最適化と調整可能な保護レベルで管理しながら、拡張を遅らせる形でコスト削減を達成している。
• 本フレームワークは、投資、運用、タイミングの共同最適化が、従来の計画手法に比べて経済的に優れた結果をもたらすことを示している。