[論文レビュー] An Energy Sharing Game in Prosumers based on Generalized Demand Bidding: Model and Properties

Yue Chen, Shengwei Mei+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、プロシューマー間でのエネルギー共有のための一般化された需要入札メカニズムを提案し、一般化された供給・需要関数を用いて参加をモデル化することでナッシュ均衡を達成する。均衡により全プロシューマーの不満度が低減され、市場規模と価格弾力性が増加するにつれて社会的厚生が向上する。

ABSTRACT

The advent of energy that not only consume but also produce energy, advocates a sharing market to encourage energy exchange. Motivated by the recent technology of online platforms, this paper proposes a simple but effective mechanism for energy sharing by generalizing demand bidding. Towards this end, a generic supply-demand function (SDF) is devised for individual prosumers to determine their role of buyer or seller in the sharing market, where the outcome is shown to be a Nash equilibrium (NE) among prosumers. The existence and uniqueness of NE are proved. Properties of the equilibrium price are uncovered. Compared with individual decision-making, the disutility of each prosumer can always be reduced via purchasing cheaper energy in the sharing market, leading to a Pareto improvement. It is revealed that the total cost of prosumers decreases with the price elasticity and the sharing market equilibrium can achieve social optimum when the number of prosumers becomes large enough. It is also found that introducing competition benefits social welfare. Case studies confirm the theoretical results with analyses on the impacts of several key factors. This work is expected to provide insights on understanding and designing future energy sharing markets.

研究の動機と目的

• プロシューマー（エネルギーを生産・消費する個人）が効率的に取引できる分散型エネルギー共有メカニズムの設計を目的とする。
• 中央集権的制御なしにプロシューマー間のエネルギー取引を調整する課題に、オンラインプラットフォーム技術を活用して対応することを目的とする。
• エネルギー共有が全参加者および社会全体にとって改善された結果をもたらす条件を確立することを目的とする。
• 市場構造、価格弾力性、競争の影響が均衡効率性と社会的厚生に与える影響を分析することを目的とする。

提案手法

• 各プロシューマーが市場状況に応じて買い手または売り手として自らの役割を決定できる一般化された供給・需要関数（SDF）を提案する。
• エネルギー共有プロセスを非協力的ゲームとしてモデル化し、プロシューマーが自身のSDFに基づいて戦略的に入札することで個人の利得を最大化する。
• 提示されたゲーム理論的枠組みにおいてナッシュ均衡（NE）の存在と一意性を確立する。
• 均衡価格の解析的性質を導出し、価格弾力性および市場規模への依存関係を明らかにする。
• 比較静的分析を用いて、市場構造や弾力性の変化がシステム効率に与える影響を分析する。
• 事例研究を用いて理論的知見を検証し、弾力性やプロシューマー数といった主要パラメータの影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 提案されたプロシューマー間エネルギー共有ゲームにおいて、ナッシュ均衡が存在し、かつ一意となる条件は何か？
• RQ2 一般化された需要入札によるエネルギー共有は、個別意思決定と比較して、個々のプロシューマーの不満度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 価格弾力性とエネルギー共有市場の効率性の関係は何か？
• RQ4 エネルギー共有市場は社会的最適に達成可能か？ その条件は何か？
• RQ5 プロシューマー間の競争を導入することで、エネルギー共有市場における社会的厚生はどのように変化するか？

主な発見

• 提案されたエネルギー共有メカニズムは一意なナッシュ均衡を達成し、安定した市場結果を保証する。
• 個々のプロシューマーは、個別意思決定と比較して、共有市場に参加することで不満度が低減され、パレート改善が実現している。
• 価格弾力性が高くなるほど、プロシューマーの総コストが低下し、市場の応答性が向上していることが示された。
• プロシューマー数が十分に大きくなると、市場均衡は社会的最適に近づく。
• プロシューマー間の競争を導入することで社会的厚生が向上し、市場参加の利点が明確に示された。
• 事例研究により、価格弾力性や市場規模といった要因が均衡効率性およびコスト削減に顕著な影響を与えることが確認された。