電力生産におけるユニットコミットメント問題

電力生産におけるユニットコミットメント問題（UC）は、一連の発電機の生産を調整して共通の目標を達成する、数学的最適化問題の大きなグループです。通常、その目標は、最小コストでエネルギー需要を満たすか、電力生産による収益を最大化することです。これは、通常の消費量に匹敵する規模で電気エネルギーを貯蔵することが困難であるため、消費量の（大きな）変動ごとに、生産量もそれに合わせて調整する必要があるからです。

発電ユニットの協調運転は、いくつかの理由から困難な作業である。

• 単位数は多数（数百または数千）になる可能性がある。
• 発電ユニットにはいくつかの種類があり、それぞれエネルギー生産コストや発電方法に関する制約が大きく異なります。
• 発電は広大な地理的領域（例えば国）に分散しているため、それ自体が非常に複雑なシステムである電力網の応答を考慮に入れる必要があります。すべてのユニットの発電レベルがわかっている場合でも、負荷を維持できるかどうか、損失がどの程度かを確認するには、非常に複雑な潮流計算が必要です。

電力システムの関連詳細は世界中で大きく異なるため、UC問題には多くのバリエーションがあり、解決が非常に困難な場合が多い。これは、一部のユニットは起動または停止にかなり長い時間（数時間）を要するため、決定をかなり前もって（通常は前日に）行う必要があり、これらの問題を厳しい時間制限（数分から数時間）内で解決しなければならないためでもある。したがって、UCは電力システム管理とシミュレーションにおける基本的な問題の1つである。これは長年にわたって研究されており、^{[ 1 ] [ 2 ]}現在でも最も重要なエネルギー最適化問題の1つである。この主題に関する最近の調査^{[ 3 ] [ 4 ]では、この問題に特化した数百もの科学論文が挙げられている。さらに、MAON [ 5 ]}やPLEXOS ^{[ 6 ]}などのいくつかの商用製品には、UCを解決するための特定のモジュールが含まれているか、あるいは完全にUCの解決に特化しているものもある^{[ 7 ] 。}

電力システムは世界中で構造や管理方法が異なるため、UC（ユニバーサル・コンピューティング）にはさまざまな問題が存在します。共通する要素は以下のとおりです。

• 意思決定を行うべき時間軸は、有限個の時点においてサンプリングされる。通常は1～2日、最長で1週間であり、時点は通常1時間または30分単位である。まれに15分または5分単位となる場合もある。したがって、時点は通常24時から20時頃までとなる。
• 対応する発電コスト曲線および／または排出量曲線、ならびに（複雑な）技術的制約を備えた一連の発電ユニット。
• グリッドネットワークの重要な部分を表現したもの。
• 満たすべき（予測される）負荷プロファイル、すなわち、各時点においてグリッドネットワークの各ノードに供給される正味のエネルギー量。
• おそらく、予期せぬ事態が発生した場合でも需要が満たされることを保証する一連の信頼性制約^{[ 8 ] 。}
• おそらく、財務および/または規制条件^{[ 9 ]}（エネルギー収入、市場運営の制約、金融商品など）。

下さなければならない決定事項は通常以下の通りである。

• コミットメント決定：ユニットが任意の時点でエネルギーを生産しているかどうか。
• 生産決定：ある時点において、あるユニットがどれだけのエネルギーを生産しているか。
• ネットワーク決定：任意の時点において、送電網および／または配電網の各分岐において、どれだけのエネルギーが（そしてどの方向に）流れているか。

上記の特徴は通常存在するものの、多くの組み合わせやさまざまなケースが存在します。その中でも特に注目すべき点は以下のとおりです。

• ユニットとグリッドがすべて独占的オペレーター (MO) ^{[ 10 ]}によって管理されているか、または別の送電システムオペレーター(TSO) がグリッドを管理し、 (または多くの場合、相互接続された複数の) エネルギー市場での生産を満たすために競争する発電会社 ( GenCo ) に公平で差別的でないアクセスを提供しているか。
• 火力発電／原子力発電、水力発電、再生可能エネルギー源（風力、太陽光など）といった、さまざまな種類のエネルギー生産設備。
• ユニットの発電量は調整可能であり、つまり、発電量は（ユニットの技術的な制約はあるものの）オペレーターが決定することができ、気象条件などの外部要因によって完全に左右されることはない。
• 電力網の動作を考慮に入れる必要がある詳細レベルは、基本的にそれを無視することから、電力網上のエネルギー経路を最適に変更するために送電線を動的に開放（遮断）する可能性を考慮することまで多岐にわたる。^{[ 11 ]}

UCを実際の運用よりもかなり前に解決する必要があるという事実の厄介な結果は、システムの将来の状態が正確にはわかっておらず、したがって推定する必要があるということです。システムの不確実性が、集計的にかなり効果的に予測できるユーザー需要の変動^{[ 24 ] [ 25 ]}と、確立されたルール（回転予備力）で対処できる送電線または発電機の故障の発生のみによるものであったときは、これは比較的小さな問題でした。しかし、近年、断続的な再生可能エネルギー源からの生産が大幅に増加しました。これにより、システムの不確実性の影響が非常に大きくなったため、それを無視する（従来のように平均点推定値を取ることによって行われる）と、コストが大幅に増加するリスクがあります。^{[ 22 ]}このため、不確実性を適切に考慮に入れるために、次のような適切な数学的モデリング技術に頼る必要が生じました。

• 堅牢な最適化手法。
• シナリオ最適化手法；
• 確率制約付き最適化手法。

（すでに多数存在する）従来のUC問題と、いくつかの（古いおよび新しい）不確実性の形態の組み合わせにより、さらに大きな不確実ユニットコミットメント^{[ 4 ]}（UUC）問題群が生じ、これは現在、応用研究と方法論研究の最前線にあります。

リアルタイムのユニットコミットメント問題における主要な問題の一つは、送電網の電力需要が通常、各配電系統の「負荷点」として扱われるという事実である。しかし、実際には、各負荷点は、独自のサブ負荷、発電機、およびDERを備えた複雑な配電網である。配電を負荷点に単純化すると、電力網全体の運用上の重大な問題につながる可能性がある。このような問題には、送電系統への高圧や、配電系統から送電系統への逆潮流などが含まれる。そのため、ユニットコミットメント問題をより効果的に解決するための新しいアプローチとして、統合送配電システムが生まれた。^{[ 26 ]}このようなモデルでは、通常、二段階プログラミングツールによって、送電系統のユニットコミットメント問題が配電系統の再生可能エネルギー管理問題と組み合わされる。

• 電力市場

• 電力系統管理の全体的な文脈におけるユニットコミットメント問題の役割に関する説明は、 COST TD1207プロジェクトによって開発されたエネルギー最適化Wikiに記載されています。