[論文レビュー] A Structural Characterization of Market Power in Power Markets.

Weixuan Lin, Eilyan Bitar|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Electric Power System Optimization被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、発電所がネットワーク制約下で戦略的に供給関数を設定するナッシュ均衡モデルを用いて、送電制約付き電力市場における市場力の発生要因を分析している。発電所の容量制約とロケーションマージナルプライシング（LMP）の下で、割当効率の損失と価格マーキャップの上限を導出し、それらを市場構造指標（市場シェアや残存供給指数）と関連づけ、ネットワーク拡張が逆に発電コストを増加させる状況—すなわちブラッシュ・パラドックス—を特定した。これにより、市場力の構造的要因が明らかになった。

ABSTRACT

We consider a market in which capacity-constrained generators compete in scalar-parameterized supply functions to serve an inelastic demand spread throughout a transmission constrained power network. The market clears according to a locational marginal pricing mechanism, in which the independent system operator (ISO) determines the generators' production quantities to minimize the revealed cost of meeting demand, while ensuring that network transmission and generator capacity constraints are met. Under the stylizing assumption that both the ISO and generators choose their strategies simultaneously, we establish the existence of Nash equilibria for the underlying market, and derive an upper bound on the allocative efficiency loss at Nash equilibrium relative to the socially optimal level. We also characterize an upper bound on the markup of locational marginal prices at Nash equilibrium above their perfectly competitive levels. Of particular relevance to ex ante market power monitoring, these bounds reveal the role of certain market structures---specifically, the \emph{market share} and \emph{residual supply index} of a producer---in predicting the degree to which that producer is able to exercise market power to influence the market outcome to its advantage. Finally, restricting our attention to the simpler setting of a two-node power network, we provide a characterization of market structures under which a Braess-like paradox occurs due to the exercise of market power---that is to say, we provide a necessary and sufficient condition on market structure under which the strengthening of the network's transmission line capacity results in the (counterintuitive) increase in the total cost of generation at Nash equilibrium.

研究の動機と目的

• 送電制約付きの電力市場におけるナッシュ均衡の存在を確立すること。
• ナッシュ均衡下での社会的最適解に対する割当効率損失の最大値を定量化すること。
• ロケーションマージナルプライス（LMP）が完全競争水準を上回る価格マーキャップの上界を特定すること。
• 市場シェアや残存供給指数といった市場構造指標が、市場力の潜在的行使をどの程度予測できるかを特定すること。
• 送電容量の向上が均衡状態で発電コストを上昇させる条件を同定し、ブラッシュ型パラドックスを明らかにすること。

提案手法

• 需要が非弾力的で、発電所がスカラー・パラメータ化された供給関数を持つ電力市場をモデル化する。
• ISOがネットワーク制約と容量制約を満たす条件下でコストを最小化するように市場を清算するロケーションマージナルプライシング（LMP）メカニズムを適用する。
• ISOと発電所が同時に行動するという仮定のもと、ナッシュ均衡の存在を確立する。
• ゲーム理論的およびネットワークフロー最適化手法を用いて、非効率損失と価格マーキャップの解析的上界を導出する。
• ブラッシュ型パラドックスが発生する条件を特定するため、2ノードネットワークに限定して分析する。
• 市場力の潜在的行使を評価するための構造的指標として、残存供給指数と市場シェアを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送電制約付き電力市場におけるナッシュ均衡下で、発生しうる最大の割当効率損失はどれくらいか？
• RQ2 戦略的行動下で、ロケーションマージナルプライス（LMP）は完全競争水準をどの程度上回るか？
• RQ3 発電所の市場シェアと残存供給指数は、その市場力行使能力をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 どのような構造的条件下で、送電容量の拡大が均衡状態で総発電コストを上昇させるか？
• RQ5 どのような市場構造が、電力ネットワーク均衡においてブラッシュ型パラドックスを引き起こすか？

主な発見

• 社会的最適解に対するナッシュ均衡下での割当効率損失の上界が導出され、戦略的行動に起因する最悪の非効率性が数量化された。
• 完全競争水準を上回るロケーションマージナルプライス（LMP）のマーキャップ上界が確立され、最大の価格操作可能性が示された。
• 市場シェアと残存供給指数が、発電所の市場力行使可能性を予測する重要な構造的指標であることが特定された。
• 2ノードネットワークにおいて、ナッシュ均衡下で送電容量の強化が総発電コストを上昇させるための必要十分条件が導出された。
• 本稿は、電力市場におけるブラッシュ型パラドックスを明らかにした：ネットワーク容量の向上が、戦略的市場力の影響により均衡結果を悪化させることがある。
• 結果として、市場構造とネットワークトポロジーに基づいて、事前監視ツールを提供し、市場力リスクを評価可能にした。