[논문 리뷰] Where to Market Flexibility? Optimal Participation of Industrial Energy Systems in Balancing-Power, Day-Ahead, and Continuous Intraday Electricity Markets

Niklas Nolzen, Alissa Ganter외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 23.

Electric Power System Optimization인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 산업 에너지 시스템이 보정 전력, 당일 전기시장 및 연속형 인trad레이 시장에 걸쳐 입찰을 조율할 수 있는 다시장 최적화 프레임워크를 제안한다. 인트라데이 시장 수익을 추정하기 위해 옵션 가격 이론을 통합하고 다단계 스토하스틱 프로그래밍을 사용함으로써, 시스템 비용을 최소화하는 최적의 통합 입찰 전략을 도출한다. 사례 연구를 통해 다시장 참여가 다에너지 시스템에서 가장 낮은 운영 비용을 제공함을 입증한다.

ABSTRACT

The rising share of volatile renewable generation increases the demand for flexibility in the electricity grid. Flexible capacity can be offered by industrial energy systems through participation on either the continuous intraday, day-ahead, or balancing-power markets. Thus, industrial energy systems face the problem of where to market their flexible capacity. Here, we propose a method to integrate trading on the continuous intraday market into a multi-market optimization for flexible industrial energy systems. To estimate the intraday market revenues, we employ option-price theory. Subsequently, a multi-stage stochastic optimization determines an optimized bidding strategy and allocates the flexible capacity. The method is applied to a case study of a multi-energy system showing that coordinated bidding in all three considered markets reduces cost most. A sensitivity analysis for the intraday market volatility reveals changing market preferences, thus emphasizing the need for multi-market optimization. The proposed method provides a practical decision-support tool in short-term electricity and balancing-power markets.

연구 동기 및 목표

• 재생 가능 에너지의 변동성이 증가하는 상황에서 유연한 용량을 어디에 시장에 참여시킬 것인지에 대한 과제를 해결하기 위해.
• 산업 에너지 시스템이 보정 전력, 당일 및 연속형 인트라데이 시장에 걸쳐 통합된 입찰 전략을 수립하기 위해.
• 옵션 가격 이론을 활용해 연속형 인트라데이 시장 참여의 경제적 가치를 추정하기 위해.
• 불확실성 하에서 통합된 다시장 최적화를 통해 운영 비용을 최소화하기 위해.
• 단기 전기 및 보정 전력 시장 참여를 위한 실용적인 의사결정 지원 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 보정 전력, 당일 및 연속형 인트라데이 시장의 순차적 세 시장에 걸쳐 입찰 결정을 최적화하기 위해 다단계 스토하스틱 프로그래밍을 사용한다.
• 가격 변동성과 마진 비용을 바탕으로 연속형 인트라데이 거래의 기대 수익을 추정하기 위해 옵션 가격 이론을 적용한다.
• 위험 중립적 자산 기반 거래를 다기능 이진 나무 프레임워크 내에서 모델링하여 최적의 인트라데이 거래 수량을 결정한다.
• 게이트 마감 시간, 용량 및 에너지 가격 입찰, 수락 확률과 같은 시장별 제약 조건을 통합한다.
• 에너지 변환 장치(예: CHP, 보일러, 쿨러)와 에너지 매체(전기, 가스) 간의 탄력적 용량 할당을 통합한다.
• 전기 가격, 보정 전력 수요 및 인트라데이 시장 역학성의 불확실성을 표현하기 위해 시나리오 기반 확률 트리를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산업 에너지 시스템이 보정 전력, 당일 및 연속형 인트라데이 시장에 걸쳐 최적의 시장 참여 전략은 무엇인가?
• RQ2 가격 변동성이 존재하는 상황에서 연속형 인트라데이 시장 참여의 경제적 가치를 정확히 추정할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ3 세 시장에 걸친 통합된 입찰이 시스템 비용 절감에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 인트라데이 시장의 변동성이 변화할 경우, 시장 선호도와 최적의 입찰 전략은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 다양한 시장 참여 전략 중에서 다시장 참여가 단일 또는 이중 시장 참여 전략보다 비용 효율성 면에서 얼마나 뛰어나게 되는가?

주요 결과

• 보정 전력, 당일 및 연속형 인트라데이 시장에 걸친 통합 참여가 다에너지 시스템 사례 연구에서 가장 낮은 시스템 비용을 초래한다.
• 최적화에 연속형 인트라데이 시장을 통합함으로써, 이를 배제한 전략 대비 비용 절감 효과가 발생한다.
• 옵션 가격 이론은 인트라데이 가격 변동성의 환산 가능한 가치를 효과적으로 추정하여 정확한 수익 예측을 가능하게 한다.
• 민감도 분석 결과, 인트라데이 시장의 변동성이 시장 선호도를 변화시키며, 이는 동적이고 다중 시장 최적화의 필요성을 강조한다.
• 제안된 방법은 시장 간 용량 할당을 최적화하여 순차적 시장 의무로 인한 용량 갈등을 방지할 수 있다.
• 사례 연구는 통합된 입찰이 고립된 시장 참여 대비 더 높은 수익 착취와 향상된 비용 효율성을 제공함을 입증한다.