[论文解读] The Marginal Value of Networked Energy Storage

Subhonmesh Bose, Eilyan Bitar|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2016

Smart Grid Energy Management参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出了一种随机最优控制框架，用于量化在具有随机可再生能源供给与需求的输电网约束电力系统中储能的节点边际价值（LMV）。研究证明，LMV在储能容量上呈凹函数且非递减，关键结果表明LMV明确依赖于节点电价的波动，并受节点电价过程总变差的上界约束，在特定网络与成本结构下该上界可达到紧致性。

ABSTRACT

We consider the problem of characterizing the locational marginal value of energy storage capacity in electric power networks with stochastic renewable supply and demand. The perspective taken is that of a system operator, whose objective is to minimize the expected cost of firm supply required to balance a stochastic net demand process over a finite horizon, subject to transmission and energy storage constraints. The value of energy storage capacity is defined in terms of the optimal value of the corresponding constrained stochastic control problem. It is shown to be concave and non decreasing in the vector of location-dependent storage capacities -- implying that the greatest marginal value of storage is derived from initial investments in storage capacities. We also provide a characterization of said marginal value, which reveals its explicit dependency on a specific measure of nodal price variation. And, more generally, we derive an upper bound on the locational marginal value of energy storage capacity in terms of the total variation of the corresponding nodal price process, and provide conditions under which this bound is tight.

研究动机与目标

• 表征在具有随机净负荷的输电网约束电力系统中储能容量的节点边际价值（LMV）。
• 将系统运营商的问题建模为具有完美状态反馈的有限时域随机最优控制问题。
• 建立最优成本函数在储能容量上的凸性与单调性，揭示增量投资的递减回报特性。
• 推导LMV的显式表达式，其以节点电价期望与价格过程总变差为参数。
• 识别LMV上界达到紧致性的条件，尤其在无环网络与空间同质成本结构下。

提出的方法

• 将系统运营商的经济调度问题建模为具有完美状态反馈的有限时域随机最优控制问题。
• 采用拉格朗日对偶法推导对偶变量（即节点电价），代表净负荷失衡的边际成本。
• 推导最优成本对储能容量的敏感性，将节点的节点边际价值（LMV）定义为最优成本对储能容量的导数。
• 以节点电价的期望波动性表征LMV，特别是净负荷过程的期望零上升穿越次数。
• 提供LMV的上界表达式，以节点电价过程的总变差表示，并通过网络拓扑与成本结构识别其紧致性条件。
• 分析两节点网络案例，说明输电容量如何通过跨节点负荷混合与价格动态影响LMV。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有随机净负荷的输电网约束电力系统中，储能容量的边际价值如何随节点位置变化？
• RQ2 节点边际价值（LMV）对节点电价波动与系统参数的函数依赖关系为何？
• RQ3 在何种条件下LMV的上界是紧致的？网络拓扑如何影响这一条件？
• RQ4 节点间的输电容量如何影响各节点储能的LMV？
• RQ5 节点间净负荷的聚合在多大程度上增加或减少储能的LMV？

主要发现

• 最优成本函数在储能容量上为凸函数且非递减，意味着初始投资的边际价值最高。
• 节点处储能的节点边际价值（LMV）被显式表征为节点电价期望波动的函数，特别是净负荷过程的期望零上升穿越次数。
• LMV的上界由节点电价过程的总变差决定，且在无环网络与空间同质成本结构下该上界为紧致。
• 在输电容量趋近于零的极限情况下，每个节点的LMV仅取决于本地净负荷的零上升穿越频率。
• 在输电容量趋近于无穷大的极限情况下，每个节点的LMV取决于两个节点净负荷聚合后的零上升穿越频率，反映出系统整体行为。