カーボンフリーな調整力を創出する分散型エネルギーリソースアグリゲーション技術

• Project/Area Number: 23K24952
• Project/Area Number (Other): 22H03697 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 62020:Web informatics and service informatics-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 谷口 一徹 大阪大学, 大学院情報科学研究科, 准教授 (40551453)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2025: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2024: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
• Keywords: アグリゲータ / 分散型エネルギーリソース (DER) / 調整力 / アグリゲーション / 仮想発電所 (VPP)

Outline of Research at the Start

再生可能エネルギーの主要電源化に向けて、需要と供給のバランスを取るための調整力の重要性が高まっている。本研究では、近年普及しつつある太陽光パネルやバッテリ、EV、空調などの分散型エネルギーリソース (DER) を活用したカーボンフリーな調整力創出のためのアグリゲーション技術について研究を行う。従来はアグリゲータが全てのDERを最適化する集中型のアプローチが用いられていたが、計算量の削減が大きな課題であった。本研究では問題を階層的に解決する階層型アグリゲーション手法を提案し、計算量削減を行いつつ、プライバシー保護や快適性／利便性の考慮など新たな価値も与える。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、近年普及しつつある太陽光パネルやバッテリ、EV、空調などの分散型エネルギーリソース (DER) を活用したカーボンフリーな調整力創出のためのアグリゲーション技術について研究を行う。2023年度は本研究の理論的成果を実証するために空調に特化させたアグリゲーション技術を主に開発した。空調は能力を調整することで需要と快適性のトレードオフを探索することができるため、アグリゲーション技術において主要なDERとして知られている。特に2023年度はスケーラビリティや柔軟性などのそれぞれに特化したアグリゲーション技術を開発した。また、実証実験の動作確認や準備も行なった。
アグリゲーション技術の開発については数理計画法に基づく手法と深層強化学習に基づく手法についてそれぞれ開発した。数理計画法に基づく手法では調整力創出指令の時刻や創出量などは既知という前提で、居住者の快適性や調整力創出、エネルギー消費の最小化を行う。評価実験より、100軒以上の空調アグリゲーション問題の解を現実的な時間で求めることができた。査読付き国際会議に投稿して発表予定である。一方、深層強化学習に基づく手法では空調アグリゲーション問題をMDPとして定式化することで、調整力創出指令の時刻や創出量は未知でも適切な空調能力の指令を出すことに成功した。特に、事前のシナリオが未知の状況でも居住者の快適性を可能な限り考慮して必要な調整力を創出できた。しかし、高々10軒程度のアグリゲーションが学習時間の観点から限界だった。この成果は引き続き評価を行い査読付き国際会議に投稿する予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初予定していた理論的研究は予定通りの成果を上げている。加えて、実証実験環境の構築や動作確認も予定通り進んでおり、おおむね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究に関して、これまで通りの手法で推進する予定である。現状、予定通りに理論的研究は進んでいる。種々の計算機科学的問題についての解法を開発して計算機実験で有効性を示している。加えて、本研究では実証実験も予定しており、その準備も順調に進んでいる。2024年度は実証実験での評価も行う予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] IMEC/Katholieke Universiteit Leuven(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] National Technical University of Athens/Aristotle University of Thessaloniki(ギリシャ)
• [Int'l Joint Research] IMEC/Katholieke Universiteit Leuven(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] National Technical University of Athens/Aristotle University of Thessaloniki(ギリシャ)
• [Journal Article] Online Energy Management Framework for Smart Buildings with Low-Complexity Estimators (2024)
  • Author(s): Watari Daichi、Marantos Charalampos、Taniguchi Ittetsu、Catthoor Francky、Siozios Kostas、Soudris Dimitrios、Onoye Takao
  • Journal Title: IEEE Embedded Systems Letters Volume: xxx Issue: 2 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1109/les.2023.3275276
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Duck Curve Aware Dynamic Pricing and Battery Scheduling Strategy Using Reinforcement Learning (2024)
  • Author(s): Watari Daichi、Taniguchi Ittetsu、Onoye Takao
  • Journal Title: IEEE Transactions on Smart Grid Volume: 15 Issue: 1 Pages: 457-471
  • DOI: 10.1109/tsg.2023.3288355
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermal-Comfort Aware Online Co-Scheduling Framework for HVAC, Battery Systems, and Appliances in Smart Buildings (2023)
  • Author(s): Daichi Watari, Ittetsu Taniguchi, Francky Catthoor, Charalampos Marantos, Kostas Siozios, Elham Shirazi, Dimitrios Soudris, Takao Onoye
  • Journal Title: IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences Volume: E106.A Issue: 5 Pages: 698-706
  • DOI: 10.1587/transfun.2022MAI0001
  • ISSN: 0916-8508, 1745-1337
  • Year and Date: 2023-05-01
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] EV Aggregation Framework for Spatiotemporal Energy Shifting to Reduce Solar Energy Waste (2023)
  • Author(s): Kenshiro Kato, Daichi Watari, Ittetsu Taniguchi, Takao Onoye
  • Journal Title: IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences Volume: E106.A Issue: 1 Pages: 54-63
  • DOI: 10.1587/transfun.2022EAP1029
  • ISSN: 0916-8508, 1745-1337
  • Year and Date: 2023-01-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Data-driven online energy management framework for HVAC systems: An experimental study (2023)
  • Author(s): Zhao Dafang、Watari Daichi、Ozawa Yuki、Taniguchi Ittetsu、Suzuki Toshihiro、Shimoda Yoshiyuki、Onoye Takao
  • Journal Title: Applied Energy Volume: 352 Pages: 121921-121921
  • DOI: 10.1016/j.apenergy.2023.121921
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Thermal Comfort and Peak Power Demand Aware VRF Heating/Cooling Management Framework: Simulation and On-site Experiment (2022)
  • Author(s): Dafang Zhao, Daichi Watari, Yuki Ozawa, Ittetsu Taniguchi, Toshihiro Suzuki, Yoshiyuki Shimoda, Takao Onoye
  • Journal Title: Journal of Information Processing Volume: 30 Issue: 0 Pages: 476-485
  • DOI: 10.2197/ipsjjip.30.476
  • ISSN: 1882-6652
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Flexible electricity price forecasting by switching mother wavelets based on wavelet transform and Long Short-Term Memory (2022)
  • Author(s): Iwabuchi Koki、Kato Kenshiro、Watari Daichi、Taniguchi Ittetsu、Catthoor Francky、Shirazi Elham、Onoye Takao
  • Journal Title: Energy and AI Volume: 10 Pages: 100192-100192
  • DOI: 10.1016/j.egyai.2022.100192
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] RNN-based Non-Intrusive Thermal Load Disaggregation and Forecasting for HVAC Systems (2023)
  • Author(s): Naoya Kaneko, Kazuki Okazawa, Dafang Zhao, Hiroki Nishikawa, Ittetsu Taniguchi, Takao Onoye
  • Organizer: 10th ACM International Conference on Systems for Energy-Efficient Buildings, Cities, and Transportation (BuildSys)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comfort-aware HVAC Aggregation Method based on Deep Reinforcement Learning (2023)
  • Author(s): Shotaro Nonaka, Ittetsu Taniguchi, Hiroki Nishikawa, Dafang Zhao, Francky Catthoor, Takao Onoye
  • Organizer: 10th ACM International Conference on Systems for Energy-Efficient Buildings, Cities, and Transportation (BuildSys)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Flexible Electricity Demand Forecasting Based on mRMR Feature Selection and WT-LSTM (2023)
  • Author(s): Koki Iwabuchi, Daichi Watari, Zhao Dafang, Ittetsu Taniguchi, Takao Onoye
  • Organizer: 40th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EU PVSEC 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Data-driven HVAC Control Using Symbolic Regression: Design and Implementation (2023)
  • Author(s): Yuki Ozawa, Dafang Zhao, Daichi Watari, Ittetsu Taniguchi, Toshihiro Suzuki, Yoshiyuki Shimoda, Takao Onoye
  • Organizer: IEEE Power and Energy Society General Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exploring of Recursive Model-based Non-Intrusive Thermal Load Monitoring for Building Cooling Load (2023)
  • Author(s): Kazuki Okazawa, Naoya Kaneko, Dafang Zhao, Hiroki Nishikawa, Ittetsu Taniguchi, Takao Onoye
  • Organizer: International Workshop on Applied Machine Learning for Intelligent Energy Systems (AMLIES)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exploring Models of Electricity Price Forecasting: Case Study on A FCAS Market (2023)
  • Author(s): Kenshiro Kato, Koki Iwabuchi, Daichi Watari, Dafang Zhao, Hiroki Nishikawa, Ittetsu Taniguchi, Takao Onoye
  • Organizer: International Workshop on Applied Machine Learning for Intelligent Energy Systems (AMLIES)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transient Response and Non-Linear Capacity Variation Aware Unified Equivalent Circuit Battery Model (2022)
  • Author(s): Dafang Zhao, Ittetsu Taniguchi, Francky Catthoor, Takao Onoye
  • Organizer: 8th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC-8)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Scheduling for Multiple HVAC Systems with Electrical Power Allocation (2022)
  • Author(s): Kenshiro Kato, Daichi Watari, Dafang Zhao, Hiroki Nishikawa, Ittetsu Taniguchi, Takao Onoye
  • Organizer: IEEE Global Conference on Consumer Electronics (GCCE)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An Evaluation of Electricity Demand Forecasting Models for Smart Energy Management Systems (2022)
  • Author(s): Naoya Kaneko, Koki Iwabuchi, Kenshiro Kato, Daichi Watari, Dafang Zhao, Ittetsu Taniguchi, Hiroki Nishikawa, Takao Onoye
  • Organizer: International SoC Design Conference (ISOCC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Deep Reinforcement Learning-based SOH-aware Battery Management for DER Aggregation (2022)
  • Author(s): Shotaro Nonaka, Daichi Watari, Ittetsu Taniguchi, Takao Onoye
  • Organizer: 9th ACM International Conference on Systems for Energy-Efficient Buildings, Cities, and Transportation (BuildSys)
  • Int'l Joint Research