[논문 리뷰] 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)|2016. 12. 01.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 규제된 및 비규제 전력시장에서 저장된 전력을 판매하는 수요 반응(DR) 집합체 간의 경쟁을 분석하기 위해 게임 이론 모델을 제안한다. 네 가지 게임 변형—비협력 및 스택엘베르크 게임(수행 여부에 따라)—에 대한 나시 균형 분석을 통해 DR 스케줄링이 집합체의 수익을 크게 증가시키는 반면, 규제는 최적 입찰 전략을 변화시키지 않고 수익을 감소시킨다는 것을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 게임 이론을 사용하여 전력시장에서 저장된 전력을 판매하는 DR 집합체 간의 경쟁을 모델링하는 것.
• 시장 규제(가격 및 볼륨 통제)가 집합체의 입찰 전략과 수익에 어떤 영향을 미치는지 분석하는 것.
• 수요 반응 스케줄링이 집합체의 수익성과 전략적 행동에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.
• 최적 입찰 가격 결정을 위한 최적 전략 결정을 위해 다양한 시장 구조에서 나시 균형 전략을 유도하는 것.
• 효율성과 전략적 인centive 측면에서 규제된 및 비규제 시장 프레임워크 간의 결과를 비교하는 것.

제안 방법

• 비협력 및 스택엘베르크 게임을 각각 DR 스케줄링 유무에 따라 포함한 네 가지 게임 이론적 변형을 수립한다.
• 각 시장 조건 하에서 집합체의 최적 입찰 전략을 도출하기 위해 나시 균형 분석을 적용한다.
• 에너지 저장 하드웨어 제약 조건을 개인 집합체의 입찰 행동에 영향을 주는 핵심 매개변수로 모델링한다.
• 게임 유형 간의 결과를 시뮬레이션하고 비교하기 위해 두 개의 경쟁 집합체를 포함한 사례 연구를 수행한다.
• 거래 가격 및 볼륨 규제를 스택엘베르크 제약 조건으로 통합하여 규제 시장 간섭을 시뮬레이션한다.
• 균형 결과를 바탕으로 입찰-가격 결정 규칙을 도출하여 집합체의 전략적 의사결정을 안내한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DR 집합체의 경우, 규제된 시장 구조와 비규제 시장 구조 간에 나시 균형 입찰 전략은 어떻게 다를까?
• RQ2 경쟁적인 에너지 시장에서 수요 반응 스케줄링은 집합체의 수익성과 전략적 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 가격 및 볼륨 규제는 DR 집합체의 최적 입찰 전략에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 규제 제약은 최적 입찰 프로파일을 변화시키지 않더라도 균형 결과에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 DR 스케줄링의 포함 여부가 경쟁적인 에너지 거래에서 집합체 간 상대적 성과에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• DR 스케줄링을 구현한 집합체는 이를 구현하지 않은 집합체에 비해 수익이 크게 증가한다.
• 거래 가격 및 볼륨 규제는 집합체의 최적 입찰 전략(나시 균형)을 변화시키지 않는다.
• 최적 입찰 전략은 그대로 유지되지만, 모든 집합체가 규제된 시장 조건에서 비규제 경쟁보다 수익이 낮다.
• 모든 네 가지 게임 변형에 대해 균형이 안정적이고 해석적으로 유도되었으며, 입찰 가격 결정을 위한 의사결정 프레임워크를 제공한다.
• 입찰 전략은 주로 집합체의 자체 에너지 저장 하드웨어 매개변수에 의해 결정되며, 시장 구조의 변화에는 영향을 받지 않는다.
• 모델은 저장된 에너지가 지속 가능하게 확보된 경우, DR 집합체를 통한 소규모, 분산형 에너지 거래가 화석 연료 기반 발전에 대한 의존도를 줄이고 배출량을 감소시킬 수 있음을 시사한다.