[論文レビュー] Resilience-Oriented Operation of Micro-Grids in both Grid-Connected and Isolated Conditions within Sustainable Active Distribution Networks

Saeed Behzadi, Amir Bagheri+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2024

Smart Grid Energy Management被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、グリッド接続時およびアイランドモードのマイクログリッド（MG）状態の両方において、レジリエンス指向のアクティブ配電網（ADN）運用のための凸混合整数二次制約プログラミング（MIQCP）モデルを提案する。ネットワーク再構成、分散型エネルギー資源（DER）の配置（発電機（DG）、蓄電システム（ESS）、太陽光発電（PV）、風力タービン（WT）を含む）、およびMG形成を統合的に最適化することで、通常運転時の電力損失を最小化し、障害発生後の負荷遮断を低減する。メッシュトポロジー下での緊急時において、IEEE 33-busシステムで98.5%の負荷復旧率を達成した。

ABSTRACT

Due to the increasing occurrence of natural disasters, importance of maintaining sustainable energy for cities and society is felt more than ever. On the other hand, power loss reduction is a challenging issue of active distribution networks (ADNs). In this paper, a new convex optimization model is proposed with two objective functions including energy loss reduction in normal operating mode and system load shedding minimization in critical conditions after the occurrence of natural disasters. This purpose is fulfilled through optimal allocation of distributed generation (DG) units from both conventional and renewable types as well as energy storage systems (ESSs). In addition, a new formulation has been derived to form optimal micro-grids (MGs) aiming at energy loss reduction in normal operating condition and resiliency index improvement under emergency situations. The developed model is implemented in GAMS software and the studies have been tested and analyzed on the IEEE 33-bus system. The results verify the effectiveness of the proposed method in terms of energy loss reduction as well as resilience enhancement in extreme operation condition following severe disruptions in the system.

研究の動機と目的

• 通常運転時の電力損失低減と、自然災害後の停電時における負荷遮断低減という二重の課題に取り組むこと。
• グリッド接続時および孤立運転時の両状態において、システムのレジリエンスと運用効率を同時に向上させる統合的最適化フレームワークを開発すること。
• ネットワーク再構成と分散型エネルギー資源（DER）の最適配置を統合することで、径路型およびメッシュ型マイクログリッドの最適形成を可能にすること。
• AC潮流制約と現実的なDERモデルを組み込むことで、極端な条件下でも電圧安定性と安全運転を確保すること。
• 変動する負荷プロファイル、再生可能エネルギーの不確実性（風速および日射量入力による）、ESSの充放電ダイナミクス（効率および容量制限を含む）を統合したモデルの有効性を、変動する災害シナリオおよびネットワークトポロジー下でIEEE 33-busシステムで検証すること。

提案手法

• 二目的の凸最適化モデルを、混合整数二次制約プログラミング（MIQCP）として定式化し、通常モードにおけるエネルギー損失最小化（c1）と緊急モードにおける負荷遮断最小化（c2）を統合する。
• 凸性と解法可能性を確保するため、LFB（ラグランジュベースの定式化）法を用いた線形化AC潮流方程式を採用する。
• 二値変数を用いてネットワーク再構成、DG/ESS/PV/WTの配置、およびマイクログリッド形成をモデル化し、径路型およびメッシュ型MG構造を制約で強制する。
• 緊急時におけるシステム性能を定量化するためのレジリエンスインデックス（RI）を導入し、最適なアイランド化とリソース配分を支援する。
• 時間変動する負荷プロファイル、風速および日射量入力による再生可能エネルギーの不確実性、およびESSの効率および容量制限を考慮した充放電ダイナミクスを統合する。
• 最適化はGAMSで実装され、商業用ソルバーを用いて解かれる。結果は、径路型およびメッシュ型構成の両方においてIEEE 33-busシステムで検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統合的最適化モデルは、どのようにして通常運転時の電力損失と自然災害後の負荷遮断を同時に最小化できるか？
• RQ2 運用効率とシステムのレジリエンスを向上させるために、分散型発電機（DG）、蓄電システム（ESS）、PV、風力タービンの最適配置および容量決定はどのように行うか？
• RQ3 径路型とメッシュ型マイクログリッド構造の選択が、深刻な障害発生後のシステムのレジリエンスおよび負荷復旧能力にどのように影響するか？
• RQ4 ネットワーク再構成とMG形成は、極端な気象イベント下でどの程度システムのレジリエンスを向上させ得るか？
• RQ5 提案された凸MIQCPモデルは、すべての運転モードで電圧安定性と安全運転をどのように保証するか？

主な発見

• 提案モデルは、ベースケースと比較してグリッド接続モード（c1）で合計有効電力損失を42.3%低減し、顕著な効率向上を示した。
• 孤立モード（c2）では、メッシュ型マイクログリッド構造が98.5%の負荷復旧率を達成した。これに対し、径路型構造は92.1%の負荷復旧率を示した。
• 緊急時条件下で、メッシュトポロジーは径路型と比較して38%高いシステムのレジリエンスインデックス（RI）を示し、回復能力の優位性を裏付けた。
• 両モードにおいて、すべての母線の電圧大きさが許容範囲内（0.96–1.1 pu）に保たれ、c1モードのピーク負荷時における最低電圧は母線16で0.97 puであった。
• 無効電力支援が効果的に管理され、同期型DGからの無効電力注入が18時頃にピークに達し、電圧低下を補償した。
• 孤立モードでは、最適な tie-line スイッチングとESSの活用により、最大3つの最適なマイクログリッドが正常に形成され、安定した運転が確保された。