[논문 리뷰] A Multi-Period Market Design for Markets with Intertemporal Constraints

Jinye Zhao, Tongxin Zheng외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 17.

Electric Power System Optimization참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 에너지 저장 및 연료 제한이 있는 발전자원과 같은 시간에 걸친 제약 조건을 가진 자원의 스케줄링 및 가격 설정을 최적화하기 위해 선도 시장와 현장 시장을 통합하는 새로운 다기능 시장 설계를 제안한다. 선도 스케줄링과 기회비용을 통합함으로써 경제적 효율성, 조정 지시 이행 유인, 신뢰성을 확보하며, 수치 실험에서 단기적 접근 방식보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

The participation of renewable, energy storage, and resources with limited fuel inventory in electricity markets has created the need for optimal scheduling and pricing across multiple market intervals for resources with intertemporal constraints. In this paper, a new multi-period market model is proposed to enhance the efficiency of markets with such type of resources. It is also the first market design that links a forward market and a spot market through the coordination of schedule and price under the multi-period paradigm, achieving reliability, economic efficiency and dispatch-following incentives simultaneously. The forward market solves a multi-period model with a long look-ahead time horizon whereas the spot market solves a series of multi-period dispatch and pricing problems with a shorter look-ahead time horizon on a rolling basis. By using the forward schedules and opportunity costs of intertemporal constraints as a guideline, the spot market model is able to produce economically efficient dispatch solutions as well as prices that incentivize dispatch following under the perfect forecast condition. The proposed scheme is applied to the dispatch and pricing of energy storage resources. Numerical experiments show that the proposed scheme outperforms the traditional myopic method in terms of economic efficiency, dispatch following and reliability.

연구 동기 및 목표

• 전기 시장에서 시간에 걸친 제약 조건을 가진 자원의 효율적 스케줄링 및 가격 설정 문제를 해결하기 위해.
• 다기능 프레임워크 하에서 선도 시장와 현장 시장을 조율하는 시장 메커니즘을 설계하기 위해.
• 경제적 효율성과 시스템 신뢰성을 유지하면서 조정 지시 이행 유인을 확보하기 위해.
• 재생 가능 에너지와 저장 자원 통합에 적용 가능한 확장 가능하고 이론적으로 탄탄한 시장 설계를 제공하기 위해.

제안 방법

• 선도 시장는 장기적인 다기능 최적화 문제를 해결하여 시간에 걸친 제약 조건에 대한 스케줄링과 기회비용을 결정한다.
• 현장 시장는 짧은 시간 창을 가진 롤링 하ORIZON 방식을 사용하여 실시간으로 조정 및 가격 설정 문제를 해결한다.
• 선도 시장에서 산출된 기회비용은 현장 시장에서의 의사결정을 장기 스케줄링과 일치시키기 위한 안내로 사용된다.
• 모델은 이상적인 예측 조건 하에서 참가자가 조정 지시를 따를 수 있도록 유인하는 가격 신호를 보장한다.
• 혼합정수선형계획법(MILP) 기반의 수학적 수식을 사용하여 다기능 조정 및 가격 설정 문제를 표현한다.
• 설계는 네트워크 및 물리적 제약 조건을 준수하면서 모든 입찰과 제안을 청산함으로써 시장 청산을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 선도 시장와 현장 시장을 어떻게 조율하여 시간에 걸친 제약 조건이 있는 시장의 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 기회비용은 현장 시장의 의사결정을 장기 스케줄링과 어떻게 일치시키는가?
• RQ3 다기능 시장 설계는 경제적 효율성, 신뢰성, 조정 지시 이행 유인을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ4 성능 지표 측면에서 제안된 방식은 전통적인 단기적 시장 설계와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 예측 정확도는 제안된 시장 메커니즘의 효과성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 수치 실험에서 제안된 시장 설계는 기존의 단기적 접근 방식에 비해 경제적 효율성을 크게 향상시켰다.
• 이상적인 예측 조건 하에서 조정 지시 이행 유인이 효과적으로 확보되어 참가자가 조정 지시를 따르게 되었다.
• 에너지 저장의 충전/방전 제한과 연료 재고 한계와 같은 시간에 걸친 제약 조건을 준수함으로써 시스템의 신뢰성을 유지하였다.
• 선도 시장의 스케줄링과 기회비용의 사용은 현장 시장 청산의 비효율성을 줄이고 조율성을 향상시켰다.
• 고도로 재생 가능 에너지 비중이 높거나 저장 자원이 많은 다양한 시험 케이스에서도 안정적인 성능을 보였다.
• 수치 결과는 다기능 접근 방식이 모든 핵심 성능 차원에서 단기 또는 단기적 대안보다 뛰어나다는 것을 확인했다.