[论文解读] Non-Wire Alternatives: an Additional Value Stream for Distributed Energy Resources

Jesus E. Contreras-Ocaña, Yize Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2019

Electric Power System Optimization参考文献 45被引用 10

一句话总结

本文提出了一种协同优化框架，联合确定分布式能源资源（DERs）的投资、其运行以及传统容量扩展的时机，明确将延迟基础设施升级的价值作为关键经济驱动力。通过将扩展时机建模为决策变量，并结合鲁棒优化与Dantzig-Wolfe分解方法，该方法能够高效求解大规模、非凸的规划问题，并表明在西雅图华盛顿大学校园中，DERs 可显著节省成本，推迟昂贵的升级。

ABSTRACT

Distributed energy resources (DERs) can serve as non-wire alternatives (NWAs) to capacity expansion by managing peak load to avoid or delay traditional expansion projects. However, the value stream derived from using DERs as NWAs is usually not explicitly included in DER planning problems. In this paper, we study a planning problem that co-optimizes investment and operation of DERs and the timing of capacity expansion. By including the timing of capacity expansion as a decision variable, we naturally incorporate NWA value stream of DERs into the planning problem. Furthermore, we show that even though the resulting optimization problem could have millions of variables and is non-convex, an optimal solution can be found by solving a series of smaller linear problems. Finally, we present a NWAs planning problem using real data from the Seattle Campus of the University of Washington.

研究动机与目标

• 为填补DER规划中的空白，明确纳入推迟传统容量扩展的经济价值。
• 在负荷、太阳能发电和能效性能不确定性的条件下，协同优化DER投资、运行以及容量扩展的时机。
• 为因引入扩展时机而产生的大规模、非凸规划问题，开发可处理的求解方法。
• 利用西雅图华盛顿大学校园的真实数据，展示该框架的实际价值。

提出的方法

• 构建一个长期规划问题，将容量扩展时机作为决策变量，从而能够明确建模资金的时间价值与延迟能力带来的收益。
• 采用鲁棒优化处理负荷、太阳能发电和能效性能方面的不确定性，通过Γ参数控制保护水平。
• 应用Dantzig-Wolfe分解，将大规模问题分解为更小的子问题，将非凸性限制在仅含数十至数百个变量的主问题中。
• 通过枚举所有可能的扩展年份并依次求解小型线性规划，来求解主问题，从而选择最优扩展年份。
• 采用列生成方法，其中子问题为母问题生成成本与负荷方案，使用对偶变量作为惩罚权重。
• 固定扩展时机以消除非凸性，并在所有可能年份中评估解，以找到最优解。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在DER规划框架中有效捕捉并优化推迟传统容量扩展的价值？
• RQ2 如何协同优化DER投资、运行与扩展时机，以反映现实中的经济与运行约束？
• RQ3 哪些求解技术能够高效处理长期规划中因扩展时机决策而引入的大规模与非凸性问题？
• RQ4 DERs在多大程度上能够推迟西雅图华盛顿大学校园的变电所与馈线升级？

主要发现

• 将扩展延迟作为决策变量纳入模型，可捕捉到DERs的重要价值流，可能使项目可行性提升20%至50%。
• 所提出的Dantzig-Wolfe分解方法将大规模、非凸问题转化为一系列更小、可处理的线性规划，从而实现高效求解。
• 该方法通过求解少量对应于不同扩展年份的线性子问题，成功识别出容量扩展的最佳时机。
• 在西雅图华盛顿大学校园的案例研究中，DERs成功推迟了变电所与馈线的升级，蒙特卡洛模拟验证了该解决方案的鲁棒性。
• 最优解通过推迟扩展实现成本节约，同时通过可调节保护水平的鲁棒优化管理不确定性。
• 该框架表明，协同优化投资、运行与时机可获得相比传统规划方法更优的经济结果。