[論文レビュー] Non-Wire Alternatives to Capacity Expansion

Jesus E. Contreras-Ocaña, Uzma Siddiqi+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2017

Smart Grid Energy Management被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、太陽光発電、エネルギー効率、需要応答、エネルギー貯蔵を含む分散型エネルギー資源（DER）の投資と運用を同時に最適化する大規模で非凸な最適化フレームワークを提案する。これは、従来の容量拡張の代替手段としての非ワイヤー型代替手段（NWAs）である。スケールと非凸性を扱うためにダンツィッヒ＝ウォルフ分解（Dantzig-Wolfe decomposition）を用い、変電所の更新時期を最適化し、ワシントン大学キャンパスにおいて、DERが容量拡張を最大5年間遅らせられることを示した。現在のコスト仮定では、エネルギー貯蔵は経済的に成立しない。

ABSTRACT

Distributed energy resources (DERs) can serve as non-wire alternatives to capacity expansion by managing peak load to avoid or defer traditional expansion projects. In this paper, we study a planning problem that co-optimizes DERs investment and operation (e.g., energy efficiency, energy storage, demand response, solar photovoltaic) and the timing of capacity expansion. We formulate the problem as a large scale (in the order of millions of variables because we model the operation of DERs over a period of decades) non-convex optimization problem. Despite its non-convexities, we find its optimal solution by decomposing it using the Dantzig-Wolfe Decomposition Algorithm and solving a series of small linear problems. Finally, we present a real planning problem at the University of Washington Seattle Campus.

研究の動機と目的

• 配電系統における高コストな容量拡張を遅らせる経済的・運用的課題に対処するため、分散型エネルギー資源（DER）を非ワイヤー型代替手段（NWA）として活用すること。
• エネルギー効率、太陽光発電、需要応答、エネルギー貯蔵の範囲で、複数十年にわたる計画期間におけるDERの投資、運用、容量拡張のタイミングを同時に最適化すること。
• 時間的価値の効果と離散的拡張タイミングが生じさせる非凸な大規模最適化問題に対処するためのスケーラブルな解法技術を開発すること。
• ワシントン大学シアトルキャンパスにおける実世界の事例研究を通じて、NWAの実現可能性と経済的影響を評価すること。17MWの新規負荷が予想されている。

提案手法

• 20年間の期間にわたるDER運用をモデル化する、数百万変数を含む大規模で非凸な混合整数最適化問題として計画問題を定式化する。
• 非凸性をマスタープロブレムに集約するため、Dantzig-Wolfe分解（DWD）を適用し、問題をより小さな部分問題に分解する。
• 容量拡張のタイミングに起因する非凸性を扱うために、マスタープロブレムを少数の線形計画問題にさらに分解する。
• 将来の容量拡張コストに割引率を適用することで時間的価値をモデル化し、非線形性を生じさせる。この非線形性は分解法によって管理される。
• エネルギー効率（EE）、太陽光発電（PV）、需要応答（DR）、エネルギー貯蔵（ES）の4つの具体的なDERタイプを含む汎用的NWAモデルを用いる。各タイプは異なるコストおよび運用特性を持つ。
• ピーク負荷を時間別負荷の最大値としてモデル化するための半平面制約を用い、変電所の容量制限を正確に表現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DERの投資、運用、容量拡張タイミングの共同最適化フレームワークは、高コストな変電所更新を効果的に遅らせることができるか？
• RQ2 総システムコストを最小化し、容量拡張を遅らせる最適な非ワイヤー型代替手段（EE, PV, DR, ES）の組み合わせは何か？
• RQ3 太陽放射量、負荷成長、エネルギー効率コストの不確実性が、最適なNWA導入と拡張タイミングにどのように影響を与えるか？
• RQ4 現在のコスト仮定のもとで、エネルギー貯蔵はこの文脈において経済的に実現可能か？
• RQ5 時間的価値は、DER投資の経済的魅力をどの程度高めるか？

主な発見

• 最適解は、太陽光発電、需要応答、エネルギー効率プロジェクトの組み合わせにより、変電所の容量拡張を約5年間遅らせることに成功した。
• 現在のコスト仮定では、リチウムイオン電池コストが1kWhあたり200ドルを超えるため、エネルギー貯蔵は経済的に成立せず、他のDERにコストパフォーマンスで劣る。
• NWAの導入により、20年間でエネルギー費用が約6%（3200万ドル）、需要料金が約15%（580万ドル）削減された。
• 感度分析の結果、太陽放射量の予測、負荷成長、エネルギー効率コストの乗数が、最適なNWAの組み合わせと拡張タイミングに顕著な影響を与えることが分かった。
• 時間的価値の効果により、容量拡張の遅延が経済的に有益であることがモデルで示された。現在のコストは時間経過とともに減少する。
• Dantzig-Wolfe分解アプローチにより、大規模で非凸な問題が少数の取り扱いやすい線形計画問題に簡略化され、効果的に処理された。