[論文レビュー] A Game Theoretic Model of Demand Response Aggregator Competition for Selling Stored Energy in Regulated and Unregulated Power Markets

Mahdi Motalleb, Reza Ghorbani|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2016

Smart Grid Energy Management参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、規制市場および非規制市場の両方で蓄電された電力を販売する需要応答（DR）集約業者の間の競争を分析するゲーム理論的モデルを提案する。非協力的かつスタックルベルク（Stackelberg）のゲーム（DRスケジューリングあり・なし）の4つのゲーム変種を用いたナッシュ均衡分析により、DRスケジューリングが集約業者の報酬を著しく増加させる一方で、規制は最適入札戦略に影響を及ぼさずに報酬を低下させることを示している。

ABSTRACT

This work is concerned with the application of game theoretic principles to model competition between demand response aggregators for selling excess energy stored in electrochemical storage devices directly to other aggregators in a power market. This market framework is presented as an alternative to the traditional vertically integrated market structure, which may be better suited for developing demand response and smart grid technologies, in addition to increasing penetration of independent renewable energy generation devices. Demand for power generated by the utility through combustion of fuel could be replaced, lowering emission of pollutants, when the energy used to charge the batteries is produced sustainably and traded on smaller scales. The four variants of game are considered: both non-cooperative (unregulated competition) and Stackelberg (regulations on transaction price and size), each with and without DR scheduling. The Nash equilibrium is derived for each game variant in order to serve as a bid-price decision making criteria which determines the optimal bidding strategy for an aggregator to sell in the market. The model is applied to a case study involving completion for selling between two aggregators. Bidding strategy is dependent on parameters inherent to an aggregator's energy storage hardware, and the strategy selected by each aggregator does not vary with the variations in the game conditions considered. Demand response scheduling offers greater payoff for aggregators who implement it, compared with those who do not. Addition of transaction price and volume regulations to the market do not affect the participants optimal bidding strategies (the Nash equilibrium), but lowers payoffs for all aggregators participating in the market relative to unregulated competition.

研究の動機と目的

• ゲーム理論を用いて、電力市場における蓄電エネルギーの販売を行うDR集約業者の間の競争をモデル化すること。
• 市場規制（価格および数量規制）が集約業者の入札戦略と報酬に与える影響を分析すること。
• 需要応答スケジューリングが集約業者の収益性および戦略的行動に与える影響を評価すること。
• 最適入札価格意思決定のための、異なる市場構造下でのナッシュ均衡戦略を導出すること。
• 非効率性および戦略的インcentiveの観点から、規制市場と非規制市場の枠組みの下での成果を比較すること。

提案手法

• 非協力的およびスタックルベルクゲームの4つのゲーム理論的変種を定式化：それぞれDRスケジューリングあり・なし。
• 各市場条件下での集約業者の最適入札戦略を特定するためにナッシュ均衡分析を適用する。
• エネルギー貯蔵ハードウェアの制約を、個々の集約業者の入札行動に影響を与える主要パラメータとしてモデル化する。
• 2つの競合する集約業者を想定した事例研究を用いて、ゲームタイプごとの成果をシミュレートおよび比較する。
• 取引価格および数量規制をスタックルベルクの制約として組み込み、規制市場の干渉を模擬する。
• 均衡結果に基づき、集約業者の戦略的意思決定を支援する入札価格意思決定ルールを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DR集約業者において、規制市場構造と非規制市場構造の下でのナッシュ均衡入札戦略はどのように異なるか？
• RQ2 競合するエネルギー市場において、需要応答スケジューリングが集約業者の報酬および戦略的行動に与える影響は何か？
• RQ3 価格および数量規制がDR集約業者の最適入札戦略に与える影響は何か？
• RQ4 規制制約は、最適入札プロファイルに変化をもたらさないまま、均衡結果にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 DRスケジューリングの導入が、競合するエネルギー取引における集約業者の相対的パフォーマンスに与える影響は何か？

主な発見

• DRスケジューリングを実施する集約業者は、実施しない業者と比較して、報酬が著しく増加する。
• 取引価格および数量規制は、集約業者の最適入札戦略（ナッシュ均衡）に影響を及ぼさない。
• 最適入札が変化しないにもかかわらず、すべての集約業者は、規制市場条件の下で非規制競争に比べて低い報酬を受ける。
• 4つのゲーム変種すべてに対して、ナッシュ均衡が安定的かつ解析的に導出されており、入札価格意思決定のフレームワークを提供する。
• 入札戦略は、主に集約業者の自らのエネルギー貯蔵ハードウェアのパラメータによって決定され、市場構造の変化とは無関係である。
• 本モデルは、蓄電エネルギーが持続可能に供給される場合、小規模で分散型のエネルギー取引が、化石燃料に依存する発電の減少と排出量削減を実現できることを示している。