[논문 리뷰] Storage or No Storage: Duopoly Competition Between Renewable Energy Suppliers in a Local Energy Market

Dongwei Zhao, Hao Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 07.

Smart Grid Energy Management참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 지역 에너지 시장에서 재생 가능 에너지 공급업체 간의 딜로이 경쟁을 위한 삼단계 게임 이론 프레임워크를 모델링하여, 공급업체가 에너지 저장 시설에 투자할지 여부를 분석한다. 놀랍게도, 저장 시설에 투자하지 않음으로써 발생하는 높은 불확실성은 경쟁 감소로 이어져 수익을 증가시킬 수 있으며, 먼저 투자한 공급업체는 저장 비용을 피하는 자유기여자 경쟁자보다 수익이 적을 수 있음을 발견한다.

ABSTRACT

This paper studies the duopoly competition between renewable energy suppliers with or without energy storage in a local energy market. The storage investment brings the benefits of stabilizing renewable energy suppliers' outputs, but it also leads to substantial investment costs as well as some surprising changes in the market outcome. To study the equilibrium decisions of storage investment in the renewable energy suppliers' competition, we model the interactions between suppliers and consumers using a three-stage game-theoretic model. In Stage I, at the beginning of the investment horizon, suppliers decide whether to invest in storage. Once such decisions have been made, in the day-ahead market of each day, suppliers decide on their bidding prices and quantities in Stage II, based on which consumers decide the electricity quantity purchased from each supplier in Stage III. In the real-time market, a supplier is penalized if his actual generation falls short of his commitment. We characterize a price-quantity competition equilibrium of Stage II, and we further characterize a storage-investment equilibrium in Stage I incorporating electricity-selling revenue and storage cost. Counter-intuitively, we show that the uncertainty of renewable energy without storage investment can lead to higher supplier profits compared with the stable generations with storage investment due to the reduced market competition under random energy generation. Simulations further illustrate results due to the market competition. For example, a higher penalty for not meeting the commitment, a higher storage cost, or a lower consumer demand can sometimes increase a supplier's profit. We also show that although storage investment can increase a supplier 's profit, the first-mover supplier who invests in storage may benefit less than the free-rider competitor who chooses not to invest.

연구 동기 및 목표

• 경쟁하는 재생 가능 에너지 공급업체 간의 에너지 저장 투자 전략적 결정을 지역 에너지 시장에서 연구하기.
• 삼단계 시장 구조에서 저장 투자가 시장 균형, 가격 설정 및 수량 입찰에 어떻게 영향을 미치는지 분석하기.
• 고비용에도 불구하고 저장 투자가 수익을 높이거나 낮출 수 있는 조건을 규명하기.
• 저장 시설이 없는 공급업체가 저장 시설이 있는 공급업체보다 경쟁력 있는 이유를 분석하는 역설적인 결과를 조사하기.

제안 방법

• 시장를 삼단계 스태켈버그 유사 게임으로 모델링: 제1단계는 저장 투자 결정; 제2단계는 가격과 수량에 대한 당일 시장 입찰; 제3단계는 입찰 기반 소비자 배분.
• 제1단계에서 저장 투자 균형을 모델링하기 위해 이중행렬 게임을 사용하며, 저장 비용과 기대 수익을 포함한다.
• 제2단계에서 능력 및 약속 제약 조건 하에서 가격-수량 경쟁을 반영하기 위해 버르드-에지워스 모델을 적용한다.
• 당일 시장 약속에 미치지 못한 경우 실시간 보상 제도를 도입하여 시장 리스크를 모델링한다.
• 재생 가능 에너지 생산의 확률 분포를 기반으로 기대 수익 계산을 수행하며, 균형 수량과 수익에 대해 닫힌 형태의 표현식을 도출한다.
• 순수한 저장 투자 균형이 존재하는 조건을 도출하기 위해 모순에 의한 증명과 수요 및 비용 파rameter에 대한 비교 정적 분석을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재생 가능 에너지 공급업체가 경쟁적인 지역 에너지 시장에서 에너지 저장 시설에 투자하기로 결정하는 조건는 무엇인가?
• RQ2 저장 투자가 당일 시장의 균형 가격과 수량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 출력 안정화의 이점이 있음에도 불구하고, 왜 저장 시설에 투자하지 않은 공급업체가 더 높은 수익을 올릴 수 있는가?
• RQ4 저장 시설에 투자한 공급업체가 투자하지 않은 경쟁자보다 수익이 낮을 수 있는가?
• RQ5 수요, 보상 비용 또는 저장 비용의 변화가 저장 투자 수익성과 전략적 유인에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 기대에 어긋나게도, 재생 가능 에너지 공급업체는 생산 불확실성으로 인한 경쟁 감소로 인해 저장 시설 없이도 더 높은 수익을 올릴 수 있다.
• 먼저 투자한 공급업체는 저장 비용을 피하는 자유기여자 경쟁자보다 수익이 적을 수 있으며, 특히 수요가 낮거나 저장 비용이 높을 경우 더욱 그렇다.
• 당일 시장 약속을 이행하지 못할 경우의 보상 비용이 높을수록 공급업체의 수익이 증가할 수 있으며, 특히 저장 시설을 갖추지 않은 공급업체가 전략적 불확실성의 이점을 얻을 경우 더욱 그렇다.
• 높은 저장 비용이나 낮은 소비자 수요는 오히려 공급업체의 수익을 증가시킬 수 있으며, 이는 경쟁 압력 감소와 함께 전략적 행동을 가능하게 하기 때문이다.
• 수요가 충분히 높을 경우 공급업체는 가격 상한선에 따라 입찰하고 양호한 수익을 얻으며, 저장 투자가 수익이 발생하려면 기대 수익이 비용을 초과해야 한다.
• 수요가 낮고 저장 시설이 있는 공급업체가 손실을 입는 경우 순수한 저장 투자 균형이 존재하지 않으며, 그 이유는 항상 투자하지 않는 것으로 전환함으로써 수익을 향상시킬 수 있기 때문이다.