[論文レビュー] Optimal Sharing and Fair Cost Allocation of Community Energy Storage

Yu Yang, Guoqiang Hu+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Smart Grid Energy Management参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、最適なコミュニティエネルギー・ストレージ（ES）共有のための連合ゲームフレームワークを提案する。このフレームワークは、ESの容量設計、運用、公平なコスト配分を統合的に最適化する。特性関数評価の1%未満で計算複雑性を克服するための制約生成法を用い、ほぼ最適な公平性を達成する。個々のESモデルと比較して、ESの価値が1.83倍に向上し、建物・コミュニティレベルの経済的利益が向上している。

ABSTRACT

This paper studies an energy storage (ES) sharing model which is cooperatively invested by multiple buildings for harnessing on-site renewable utilization and grid price arbitrage. To maximize the economic benefits, we jointly consider the ES sizing, operation, and cost allocation via a coalition game formulation. Particularly, we study a fair ex-post cost allocation based on nucleolus which addresses fairness by minimizing the minimal dissatisfaction of all the players. To overcome the exponential computation burden caused by the implicit characteristic function, we employ a constraint generation technique to gradually approach the unique nucleolus by leveraging the sparse problem structure. We demonstrate both the fairness and computational efficiency of the method through case studies, which are not provided by the existing Shapley approach or proportional method. Particularly, only a small fraction of characteristic function (less than 1% for 20 buildings) is required to achieve the cost allocation versus the exponential information required by Shapley approach. Though there exists a minor increase of computation over the proportional method, the proposed method can ensure fairness while the latter fails in some cases. Further, we demonstrate both the building-wise and community-wise economic benefits are enhanced with the ES sharing model over the individual ES (IES) model. Accordingly, the overall value of ES is considerably improved (about 1.83 times).

研究の動機と目的

• 複数の建物全体の経済的利益を最大化するコミュニティエネルギー・ストレージの協働ビジネスモデルの設計。
• 共有ESシステムにおけるエネルギー・ストレージの容量設計、運用、コスト配分を統合的に最適化すること。
• 自己利益志向の建物間におけるコスト配分の公平性を、核（nucleolus）の概念を用いて保証すること。
• 大規模な連合における核の計算の計算不能性を、制約生成法により克服すること。
• シャープレー法および比例配分法と比較して、優れた公平性と効率性を示すこと。

提案手法

• ES共有問題を、容量設計、運用、コスト配分を統合した連合ゲームとして定式化する。
• 核を用いて、すべての参加者間での不満の最大値を最小化する公平性基準を採用する。
• スパースな問題構造を活用し、指数的計算を回避するため、反復的に核を近似する制約生成法を適用する。
• エネルギーおよび電力容量制約を含む混合整数線形計画法（MILP）により、最適なES容量設計と運用を解く。
• 各連合の特性関数を計算するために動的計画法を用い、重複する充電・放電および再生可能エネルギーの購入・販売を制約に含める。
• 20棟の建物を対象とした事例研究を通じて、シャープレー法および比例配分法と比較して性能を検証する。

Figure 1: The configuration of a community energy storage (CES).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 集団的な経済的利益を最大化するため、コミュニティ環境下でのエネルギー・ストレージの最適な容量設計と運用方法は何か？
• RQ2 共通のESシステムを共有する自己利益志向の建物間で、公平性を保証するコスト配分メカニズムは何か？
• RQ3 指数的複雑性を有するにもかかわらず、大規模なコミュニティエネルギー・ストレージ連合において核を効率的に計算できるか？
• RQ4 本手法は、シャープレー法および比例配分法と比較して、公平性および計算効率の点でどのように優れているか？
• RQ5 コミュニティES共有は、個別ES導入と比較して、経済的成果にどの程度の向上をもたらすか？

主な発見

• 提案された核に基づくコスト配分は、すべての建物間での不満の最大値を最小化することで公平性を確保し、公平性指標においてシャープレー法および比例配分法を上回る。
• 核を計算するために必要な特性関数値の割合はわずか1%未満であり、シャープレー法が要求する指数的計算量と比較して、計算負荷を顕著に低減している。
• 本手法は比例配分法と同等の計算効率を達成している一方で、公平性を保証するという点で、後者に欠ける場合がある。
• 共有インfraストラクチャの活用と利用効率の向上により、コミュニティ全体の経済的利益が約1.83倍に向上している。
• 自家発電の余剰がある建物では、負荷と発電プロファイルの時間的補完性の価値が顕著に高まり、建物単位の利益がさらに向上している。
• 事例研究により、容量設計・運用・コスト配分の統合最適化が、すべての参加者において優れた経済的成果をもたらすことが確認された。

Figure 2: The building-wise (B1-B10) and community-wise (Com.) cost reduction with the IES and CES model: (a) $N=5$ . (b) $N=10$ (no ES as baseline ).