[論文レビュー] Optimal Operation of PV-Diesel MicroGrid with Multiple Diesel Generators under Grid Blackouts

Mansour Alramlawi, Ayeni Femi Timothy+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、停電時における複数のディーゼル発電機を備えたバッテリーレスPV-ディーゼルマイクログリッドの最適運転を目的とした混合整数非線形計画（MINLP）モデルを提案する。エネルギーコストとPVの無効発電を最小限に抑えることを目的としており、異なるサイズの複数のディーゼル発電機を動的にスケジューリングすることで、燃料消費を削減し、PVの活用を促進する。単一ディーゼルシステムと比較して43.97％のコスト削減、PV＋単一ディーゼル構成と比較して29.64％の削減を達成する。

ABSTRACT

This paper addresses the optimal operation problem of a PV-diesel microgrid considering grid blackouts, which is a usual case of discontinuous power supply in developing countries. The model of a grid-connected PV-diesel microgrid is enhanced, and new practical constraints are added. In addition, a new mixed-integer nonlinear programming (MINLP) problem is formulated to optimize the power flow in the microgrid for covering the load while minimizing the power consumption cost as well as maximizing the dispatched power from the PV-array. To demonstrate the applicability of the developed model and the optimal operation strategy, a comparison between different system configurations is made. The results show that the proposed microgrid can reduce the dispatched power cost while decreasing the power curtailment from the PV-array. Moreover, installing multiple diesel generators (DGs) can significantly reduce the fuel consumption by the

研究の動機と目的

• 停電時における複数ディーゼル発電機を備えたPV-ディーゼルマイクログリッドの最適化の不足に対処すること。
• 不安定な電力供給が続く発展途上国向けのコスト効率的でバッテリーレスのマイクログリッドソリューションを開発すること。
• 総エネルギー供給コストを最小限に抑えながら、PV電力の活用を最大化し、ディーゼル燃料消費を削減すること。
• 最小ディーゼル発電機出力やインバーターのグリッド給電制限などの実用的制約を組み込むこと。

提案手法

• グリッド接続型PV-ディーゼルマイクログリッドにおける潮流最適化を目的とした混合整数非線形計画（MINLP）問題を定式化した。
• PV出力を正確に推定するために、三成分の太陽放射モデル（直接日射、拡散日射、反射日射）を統合した。
• 温度および日射量依存性を有する単一ダイオードPVセルモデルを用いて、リアルタイムでの最大出力を計算した。
• 技術的制約を組み込んだ：最小ディーゼル発電機出力、インバーターのグリッド給電能力、負荷電力バランス。
• 負荷およびPVの可用性に基づいて、最適な複数ディーゼル発電機のサブセットを選択する動的ディスpatch戦略を実装した。
• グリッド給電インバーターの制約を満たすことで電圧および周波数安定性を確保し、グリッド形成源が存在しない状態でのアイランドイングを回避した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 停電時における複数ディーゼル発電機の使用が、PV-ディーゼルマイクログリッドの燃料消費およびエネルギーコストに与える影響は何か？
• RQ2 最適ディスパッチがPV電力活用および無効発電削減に与える影響は何か？
• RQ3 提案されたMINLPモデルは、単一ディーゼルまたは従来のシステムと比較して、コスト効率をどのように向上させるか？
• RQ4 マイクログリッドは、グリッドおよびディーゼルエネルギーの供給を最小限に抑えながら、負荷供給をどの程度維持できるか？
• RQ5 技術的制約、特にインバーターのグリッド給電制限がシステム運転に果たす役割は何か？

主な発見

• 3台のディーゼル発電機（200、150、150 kVA）を備えたケース3では、単一の500 kVAディーゼル発電機（ケース1）と比較して、年間総エネルギーコストが43.97％削減された。
• 年間総コストはケース1の862.25千ドルからケース3の483.08千ドルに低下し、43.97％の削減が達成された。
• ディーゼル発電機の年間エネルギー供給量は、ケース1の1176.9 MWhからケース3の770.59 MWhに低下し、34.5％の削減が達成された。
• 複数発電機を備えたPV-ディーゼルシステムでは、供給されたPV電力がケース2の766.18 MWhからケース3の915.60 MWhに増加し、無効発電が削減された。
• ケース2およびケース3の両方でグリッド供給量が667.32 MWhに低下したため、PVとディーゼルの連携がグリッド依存を効果的に代替していることが示された。
• 最適ディスパッチ戦略により、停電時において少なくとも1台のディーゼル発電機が稼働を維持し、最小出力制約を満たしながら燃料消費を最小限に抑えることが可能になった。