[논문 리뷰] Price Volatility in Electricity Markets: A Stochastic Control Perspective.

Avinash Mohan, Shie Mannor외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 17.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 6인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전기 시장을 이산 시간 제어 확률 과정으로 모델링하여 사회적 복지와 가격 변동성 사이의 상충 관계를 분석한다. 변동성을 줄이면 본질적으로 사회적 복지를 희생시켜야 하는 근본적인 상충 관계를 밝혀내며, 높은 재생 가능 에너지 비율에서 '변동성 절벽' 현상이 발생하고, 특정 시장에 맞는 '용량 영역'을 정의하여 주어진 변동성 수준에서 달성 가능한 복지를 정량화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자율 전기 시장에서 높은 시간적 가격 변동성이 발생하는 근본 원인을 이해하기 위해.
• 즉시 시장에서 사회적 복지와 가격 변동성 사이의 본질적 상충 관계를 조사하기 위해.
• 전기 시장을 제어 동적 시스템으로 모델링하는 확률적 제어 프레임워크를 개발하기 위해.
• 용량 영역 개념을 사용하여 다양한 수준의 가격 변동성에서 달성 가능한 사회적 복지의 한계를 정량화하기 위해.
• 간헐적인 재생 가능 에너지 발전의 증가가 시장 변동성과 시스템 안정성에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 비핵심 세부 사항을 간소화하기 위해 전기 시장을 이산 시간 제어 확률 과정으로 모델링한다.
• 확률적 제어 이론을 적용하여 시장 참가자의 결정이 가격 동적 변화에 미치는 영향을 분석한다.
• 특정 시장에서 달성 가능한 복지-변동성 쌍의 집합을 나타내는 용량 영역을 도입한다.
• 정보 이론의 용량 한계와 유사한 이론적 경계를 이 프레임워크를 통해 유도한다.
• 증가하는 재생 가능 에너지의 간헐성 영향을 분석하기 위해 증가하는 비율 수준을 시뮬레이션한다.
• 소규모 재생 가능 에너지 비율 증가가 갑작스럽고 수용할 수 없는 가격 변동성 급증을 유발하는 '변동성 절벽' 현상을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본적으로 안정된 전기 시장에서 높은 시간적 가격 변동성이 발생하는 원인은 무엇인가?
• RQ2 전기 시장에서 사회적 복지를 희생시키지 않고도 가격 변동성을 줄일 수 있는가?
• RQ3 간헐적인 재생 가능 에너지 자원의 비율이 가격 변동성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 주어진 수준의 가격 변동성에서 달성 가능한 사회적 복지의 이론적 한계는 무엇인가?
• RQ5 소규모 재생 가능 에너지 비율 증가에 비해 가격 변동성이 급격히 증가하는 임계 임계점이 존재하는가?

주요 결과

• 사회적 복지와 가격 변동성 사이에는 근본적인 상충 관계가 존재한다: 변동성을 줄이면 반드시 사회적 복지가 감소한다.
• 모든 전기 시장은 주어진 수준의 가격 변동성에서 달성 가능한 최대 사회적 복지를 정의하는 용량 영역을 가진다.
• 간헐적인 재생 가능 에너지 비율이 증가함에 따라 가격 변동성이 돌연 증가할 수 있으며, 이는 '변동성 절벽' 현상으로 이어진다.
• 변동성 절벽은 소규모 재생 가능 에너지 증가가 비례하지 않게 큰 변동성 급증을 유발할 수 있음을 시사한다.
• 확률적 제어 프레임워크는 시장의 회복력 평가 및 전기 시장의 구조적 개혁을 안내하는 정량적 도구를 제공한다.
• 결과적으로 기존 시장 설계는 높은 재생 가능 에너지 비율 하에서는 부적절하며 근본적인 재구성 필요성이 제기된다.