[論文レビュー] Price Volatility in Electricity Markets: A Stochastic Control Perspective.

Avinash Mohan, Shie Mannor+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2020

Smart Grid Energy Management参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、社会的福祉と価格変動性のトレードオフを分析するため、電力市場を離散時間制御確率過程としてモデル化する。価格変動性を低減することは本質的に社会的福祉を犠牲にする根本的トレードオフを特定し、高水準の再生可能エネルギー導入下で「変動性の崖」現象が発生することを示し、市場固有の「容量領域」を定義して、所定の変動性レベルにおける達成可能な福祉の程度を定量化する。

ABSTRACT

Spot prices in deregulated electricity markets in the United States and Europe have historically displayed high volatility, leading to loss of revenue in high electricity costs, weakening economic growth and lost business from long blackouts. With rapidly increasing supply of intermittent solar and wind-based power, conditions in the foreseeable future are only expected to deteriorate. Geographic price variations, while capable of being quite dramatic themselves, are a natural outcome of Locational Marginal Pricing (LMP) that takes finite transmission capacity and congestion into consideration, to produce localized electricity prices. Temporal price volatility (considerable fluctuation over periods as short as an hour in particular), however, is harder to explain. In an effort to unearth the cause of these price fluctuations, we propose to model the electricity market as a discrete time controlled stochastic process. While this is a stylized model, it facilitates the analysis of spot markets and helps exclude extraneous details that do not contribute significantly to the discussion. We show that in any such market, improving social welfare must necessarily be traded off with volatility in prices, i.e., it is impossible to reduce volatility in the price of electricity without sacrificing social welfare. We also show that, akin to communication systems, every market has a Capacity Region associated with it, that dictates and quantifies how much welfare is achievable at a given level of price volatility. In the context of renewable power sources, our investigation uncovers an intriguing phenomenon we term the volatility cliff, which suggests that with increasing penetration of intermittent renewable production, price volatility could increase to unacceptable levels, prompting the need for a complete restructuring of existing electricity markets.

研究の動機と目的

• 自由化された電力市場における高い時間的価格変動性の根本的要因を理解すること。
• スポット市場における社会的福祉と価格変動性の間の本質的トレードオフを調査すること。
• 電力市場を制御された動的システムとしてモデル化する確率的制御フレームワークを構築すること。
• 容量領域の概念を用いて、価格変動性の異なる水準における達成可能な社会的福祉の限界を定量化すること。
• 間歇的再生可能エネルギーの増加が市場の変動性およびシステム安定性に与える影響を検討すること。

提案手法

• 電力市場を離散時間制御確率過程としてモデル化し、本質的でない詳細を抽象化する。
• 確率的制御理論を適用して、市場参加者の意思決定が価格ダイナミクスに与える影響を分析する。
• 容量領域を導入し、特定の市場における達成可能な福祉・変動性ペアの集合を表現する。
• 情報理論の容量限界に類似した理論的限界を、フレームワークを用いて福祉と変動性の両面から導出する。
• 間欠的再生可能エネルギーの影響を、導入率を段階的に増加させたシミュレーションを通じて分析する。
• 小さな再生可能エネルギー導入率の増加が、突然かつ受け入れがたい価格変動性の急増を引き起こす「変動性の崖」現象を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定した基本的要因のもとで、電力市場に高い時間的価格変動性が生じる根本的要因は何ですか？
• RQ2 電力市場において、社会的福祉を犠牲にせずに価格変動性を低減することは可能でしょうか？
• RQ3 間欠的再生可能エネルギー源の導入率が価格変動性にどのように影響するでしょうか？
• RQ4 所定の価格変動性レベルにおける達成可能な社会的福祉の理論的限界は何か？
• RQ5 再生可能エネルギー導入率がわずかに上昇するだけで、価格変動性が急激に増加する臨界閾値が存在するでしょうか？

主な発見

• 社会的福祉と価格変動性の間には根本的トレードオフが存在する：変動性を低減することは必然的に社会的福祉を低下させる。
• すべての電力市場には、所定の価格変動性レベルにおける最大達成可能な社会的福祉を定義する「容量領域」が存在する。
• 間欠的再生可能エネルギーの導入率が上昇するにつれ、価格変動性が急激に増加し、「変動性の崖」現象が発生する。
• 変動性の崖は、再生可能エネルギーのわずかな増加が、非比例的かつ受け入れがたい変動性の急増を引き起こすことを示唆する。
• 確率的制御フレームワークは、市場のレジリエンスを評価し、電力市場の構造的改革を導くための定量的ツールを提供する。
• 結果から、既存の市場設計は高水準の再生可能エネルギー導入下では不十分であり、根本的な再設計を要することが示唆される。