[論文レビュー] Value of Optimal Trip and Charging Scheduling of Commercial Electric Vehicle Fleets with Vehicle-to-Grid in Future Low Inertia Systems

Alicia Blatiak, Federica Bellizio+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Electric Vehicles and Infrastructure参考文献 24被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、低慣性力システムにおける商用電気自動車（EV）フリートのV2G（Vehicle-to-Grid）機能を活用して、出荷スケジュールと充電スケジュールを最適化するための混合整数線形計画法（MILP）モデルを提案する。リアルタイムの電力および支援サービス価格と連携することで、夏季には最大38%、冬季には最大12%の収益増加を実現するとともに、周波数応答サービス提供によって、1基の複合サイクルガスタービン（CCGT）の運転を不要にする効果をもたらす。

ABSTRACT

The electrification of transport is seen as an important step in the global decarbonisation agenda. With such a large expected load on the power system from electric vehicles (EVs), it is important to coordinate charging in order to balance the supply and demand for electricity. Bidirectional charging, enabled through Vehicle-to-Grid (V2G) technology, will unlock significant storage capacity from stationary EVs that are plugged in. To take this concept a step further, this paper quantifies the potential revenues to be gained by a commercial EV fleet operator from simultaneously scheduling its trips on a day-ahead basis, as well as its charging. This allows the fleet to complete its trips (with user defined trip length and distance), while taking advantage of fluctuating energy and ancillary services prices. A mathematical framework for optimal trip scheduling is proposed, formulated as a mixed-integer linear program, and is applied to several relevant scenarios of the present and future British electricity system. It is demonstrated that an optimal journey start time can increase the revenue of commercial fleets by up to 38% in summer and 12% in winter. This means a single EV from the maintenance fleet can make additional annual revenue of up to {\pounds}729. Flexible trip schedules are more valuable in the summer because keeping EVs plugged in during peak solar output will benefit the grid and the fleet operators the most. It was also found that a fleet of 5,000 EVs would result in the equivalent $ extrm{CO}_2$ of removing one Combined Cycle Gas Turbine from the system. This significant increase in revenue and carbon savings show this approach is worth investigating for potential future application.

研究の動機と目的

• 商用EVフリートの出荷スケジュールと充電スケジュールを最適化することで得られる財務的および系統的利点を定量的に評価すること。
• イギリスにおける電力および支援サービス価格の変動を考慮した柔軟な出荷スケジューリングが収益に与える影響を評価すること。
• 特に石炭・ガス火力に依存するスピンニング予備力の代替としてのEVが果たせる二酸化炭素削減の可能性を評価すること。
• 実運用上の制約と市場動態を統合したスケーラブルな最適化フレームワークを構築すること。

提案手法

• 商用EVフリートの出荷開始時刻と充電スケジュールを同時に最適化するための混合整数線形計画法（MILP）を定式化する。
• 時間単位電力料金、上向きおよび下向きのバランス調整サービス価格、周波数応答要件を組み込む。
• 走行距離と走行時間に基づいて車両のエネルギー消費をモデル化し、バッテリー残量制約および充電・放電効率を考慮する。
• 周波数の最小値制約（nadir frequency constraint）を用いて、必要な同期慣性の低減を定量的に評価し、CCGTの代替可能性を計算可能にする。
• イギリス電力市場の実データを用いて、配送および保守用フリートのシナリオをシミュレーションする。
• 出荷遅延、価格変動、再生可能エネルギー発電パターンの変化に対する感度分析を通じて、結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的電力市場において、出荷開始時刻と充電スケジュールの最適化により、商用EVフリートはどの程度の追加収益を得られるか？
• RQ2 柔軟な出荷スケジューリングが系統慣性支援に与える影響と、CCGTの代替可能性に及ぼす影響は何か？
• RQ3 周波数応答価格の変動および再生可能エネルギー発電の変化が、最適スケジューリングの価値に与える影響は何か？
• RQ4 都市部の交通遅延が、都市環境における最適スケジューリングの財務的利益をどの程度低下させるか？
• RQ5 特に夏季と冬季の間で、柔軟なスケジューリングの価値はどのように変化するか？

主な発見

• 最適な出荷スケジューリングにより、夏季では最大38%、冬季では最大12%の収益増加が達成され、1台のEVが年間で最大729ポンドの追加収益を生み出す。
• 5,000台のEVフリートが周波数応答サービスを提供することで、少なくとも1基のCCGT発電所の運転を回避でき、月間約66,500 kgのCO2排出削減が可能となる。
• 柔軟な出荷スケジューリングは、周波数応答価格水準に関わらず、固定スケジュール比で23%の収益プレミアムを提供する。
• 出荷遅延が1時間の場合、夏季では最大収益が7–11%低下し、冬季では8–13%低下する。冬季は価格変動が大きく、太陽光発電が少ないため、より感受性が高い。
• 夏季では太陽光発電量が多いため、EVがピーク発電時に充電を維持できるため、柔軟なスケジューリングの価値がより高い。
• 価格変動に対する感受性分析の結果、周波数応答価格が25%低下すると収益も比例して25%低下するが、さらに25%の価格低下が生じると収益は33–34%減少する。これは市場の非線形的感度を示している。