[論文レビュー] Duration-Differentiated Services in Electricity

Ashutosh Nayyar, Matías Negrete-Pincetic+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2014

Smart Grid Energy Management参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、再生可能エネルギーの導入率が高い状況下でも需給バランスを達成できるように、消費者が特定の電力供給時間帯を契約する時間帯別電力サービスモデルを提案する。このモデルは、柔軟な負荷スケジューリングと時間帯別マージナルコストに基づく価格設定を可能にする、割当アルゴリズムとフォワード市場メカニズムを導入し、効率的かつ社会的厚生を最大化する結果を実現する。

ABSTRACT

The integration of renewable sources poses challenges at the operational and economic levels of the power grid. In terms of keeping the balance between supply and demand, the usual scheme of supply following load may not be appropriate for large penetration levels of uncertain and intermittent renewable supply. In this paper, we focus on an alternative scheme in which the load follows the supply, exploiting the flexibility associated with the demand side. We consider a model of flexible loads that are to be serviced by zero-marginal cost renewable power together with conventional generation if necessary. Each load demands 1 kW for a specified number of time slots within an operational period. The flexibility of a load resides in the fact that the service may be delivered over any slots within the operational period. Loads therefore require flexible energy services that are differentiated by the demanded duration. We focus on two problems associated with durations-differentiated loads. The first problem deals with the operational decisions that a supplier has to make to serve a given set of duration differentiated loads. The second problem focuses on a market implementation for duration differentiated services. We give necessary and sufficient conditions under which the available power can service the loads, and we describe an algorithm that constructs an appropriate allocation. In the event the available supply is inadequate, we characterize the minimum amount of power that must be purchased to service the loads. Next we consider a forward market where consumers can purchase duration differentiated energy services. We first characterize social welfare maximizing allocations in this forward market and then show the existence of an efficient competitive equilibrium.

研究の動機と目的

• 間歇的（不規則な）な再生可能エネルギー供給と需要のバランスを取るために、制御の主導権を需要側に移す挑戦に取り組む。
• 電力供給時間帯（例：1 kW を h 時間帯にわたって供給）によって区別される柔軟な負荷をサービスとしてモデル化する。
• 利用可能な電力が時間帯別負荷にすべて対応できるかどうかを判断するための実行可能割当の決定アルゴリズムを開発する。
• 時間帯別価格設定を通じて、効率的かつ社会的厚生を最大化するフォワード市場メカニズムを設計する。
• 供給が十分かどうかの条件を特定し、供給が不足している場合の最小追加調達量を同定する。

提案手法

• 利用可能な電力をすべての負荷に供給できるかどうかを確認するための可能性チェックとして、最大フロー／最小カットのアプローチを用いて供給割当問題を定式化する。
• 時間帯別要件と供給可能性に基づいて、負荷を時間帯に割り当てる分解型アルゴリズムを導入する。
• 消費者が契約時間帯を選択して効用を最大化し、コストを最小化する社会的厚生最大化フレームワークを用いてフォワード市場をモデル化する。
• 価格が時間帯に線形に依存し、マージナルコストまたは最適契約長における最初の期間の効用増分に等しくなるように、最適価格ルールを導出する。
• 価格が市場を clearing し、効率性を達成する競争的均衡の存在を証明する。
• リアルタイムスポット市場を分析し、例示により、価格の変動性と調整の欠如により、効率性を達成できない可能性があることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再生可能および従来の発電設備の利用可能な電力で、与えられた時間帯別負荷をすべて満たせる条件は何か？
• RQ2 供給が需要を満たせない場合、追加で調達すべき最小電力はどれくらいか？
• RQ3 時間帯別サービス向けフォワード市場は、社会的厚生の最大化と効率的競争均衡を達成できるか？
• RQ4 柔軟な負荷が存在する状況下で、リアルタイムスポット市場とフォワード市場の効率性を比較するとどうなるか？
• RQ5 高い柔軟性を持つ消費者に適切な経済的インcentiveを与えるために、どのような価格設定メカニズムが必要か？

主な発見

• すべての負荷を満たすための必要十分条件は、時間帯ごとの合計供給量が、すべての時間帯要件の合計以上であることである。
• 供給が十分であれば、最大フロー定式化を用いた効率的割当アルゴリズムが、すべての負荷を満たす実行可能なスケジュールを構築可能である。
• 供給が不足している場合、必要な追加電力の最小量は、総時間帯需要と供給容量の差に相当する。
• フォワード市場において、価格が時間帯の線形関数として設定され、マージナルコストまたは最適契約長における効用増分に等しい場合、効率的競争均衡が存在する。
• 消費者が時間帯を選び、追加の時間帯の限界効用が供給の限界コストと等しくなるように選択することで、社会的厚生を最大化する割当が達成される。
• リアルタイムスポット市場の連続的運用は、調整不能性に起因する非効率な結果を生じる可能性がある。例示により、柔軟な負荷が存在しても、非効率な結果が生じる場合があることが示された。