[논문 리뷰] The entry and exit game in the electricity markets: a mean-field game approach

René Aïd, Roxana Dumitrescu외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 29.

Stochastic processes and financial applications참고 문헌 33인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 평균장 게임의 최적 정지 이론을 활용하여 전력시장에서 재생 가능 에너지 생산자의 전략적 진입과 기존 화력 발전자의 퇴출을 모델링한다. 나이스 균형의 존재성과 유일성을 증명하고, 재생 가능 에너지 보조금이 시장 점유율을 높이지만, 정점 가격을 상승시킬 수 있음을 보여주며, 이는 시스템 안정성과 가격 안정성을 확보하기 위해 보완적 용량 메커니즘이 필요함을 시사한다.

ABSTRACT

We develop a model for the industry dynamics in the electricity market, based on mean-field games of optimal stopping. In our model, there are two types of agents: the renewable producers and the conventional producers. The renewable producers choose the optimal moment to build new renewable plants, and the conventional producers choose the optimal moment to exit the market. The agents interact through the market price, determined by matching the aggregate supply of the two types of producers with an exogenous demand function. Using a relaxed formulation of optimal stopping mean-field games, we prove the existence of a Nash equilibrium and the uniqueness of the equilibrium price process. An empirical example, inspired by the UK electricity market is presented. The example shows that while renewable subsidies clearly lead to higher renewable penetration, this may entail a cost to the consumer in terms of higher peakload prices. In order to avoid rising prices, the renewable subsidies must be combined with mechanisms ensuring that sufficient conventional capacity remains in place to meet the energy demand during peak periods.

연구 동기 및 목표

• 시장 가격 피드백 하에서 재생 가능 에너지 생산자와 기존 발전자 간의 동적 상호작용을 모델링하기 위해.
• 재생 가능 에너지 보조금과 용량 보상과 같은 정책 수단이 시장 결과에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 정점 수요 기간 동안 충분한 기존 발전 용량을 유지함으로써 시스템 신뢰성을 확보하기 위해.
• 비정규적인 가격 함수 설정에서 나이스 균형의 존재성과 유일성을 이론적으로 확립하기 위해.
• 캘리브레이션된 파rameters를 사용한 영국 전력시장 기반 시뮬레이션을 통해 실증적 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 재생 가능 에너지 생산자가 최적의 진입 시기를 선택하고, 기존 발전자가 최적의 퇴출 시기를 선택하는 두 종류의 에이전트를 포함한 평균장 게임을 수립한다.
• 의도적 정지 평균장 게임을 다룰 수 있도록 이완된 해법 접근법을 사용하여, 순서 기반 메커니즘에서 유도된 비정규적인 가격 함수형을 처리한다.
• 시장 가격을 총 재생 가능 및 기존 발전 용량의 함수로 모델링하며, 외부적으로 주어진 결정적 수요 곡선과 대비시킨다.
• 가격과 설치 용량의 균형 궤적을 시간에 따라 계산하기 위해 수치 알고리즘을 적용한다.
• 캘리브레이션된 파rameters를 사용한 스타일리시드 영국 전력시장 시뮬레이션에 이론적 결과를 적용한다.
• 최적 반응 반복의 수렴을 검증하여 수치적 안정성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재생 가능 에너지 보조금은 전력시장에서 새로운 재생 가능 에너지 발전소의 진입 시기와 규모에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 재생 가능 에너지 점유율 증가가 기저하중 및 정점하중 전력 가격에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 재생 가능 에너지 발전으로 인한 저가격의 도매 가격 상황에서 기존 발전자가 시장 참여를 유지할 수 있는가?
• RQ4 용량 보상 제도는 균형 결과에 어떤 영향을 미치며, 정점 수요 기간의 가격 급등을 방지하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ5 이 평균장 게임 설정에서 나이스 균형의 존재성과 유일성을 보장하는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 재생 가능 에너지 보조금은 재생 가능 에너지 점유율을 크게 증가시키며, 시뮬레이션 기간 동안 설치 용량이 약 15년간 두 배로 증가한다.
• 기저하중 가격은 재생 가능 에너지 공급 증가로 인해 감소하지만, 순수 보조금 제도 하에서는 특히 겨울철에 정점하중 가격이 상승한다.
• 재생 가능 에너지 보조금 시나리오(시나리오 1)에서의 정점 가격은 최종 연도에 기준선 및 용량 보상 시나리오를 모두 초월한다.
• 기존 발전자에게 용량 보상을 도입한 시나리오 2는 동일한 재생 가능 에너지 보조금 조건 하에서도 시나리오 1보다 정점 가격을 낮춘다.
• 균형 가격 과정는 유일하게 결정되며, 최적 반응 이득의 수렴 속도가 1/n임을 확인하여 수치적 안정성을 입증한다.
• 결과적으로 재생 가능 에너지 보조금만으로는 정점 수요 기간 동안 소비자 비용이 증가할 수 있으며, 이는 기존 발전 용량을 유지하기 위해 보완적 메커니즘이 필요함을 시사한다.