[论文解读] On the Economic Value and Price-Responsiveness of Ramp-Constrained Storage

Ali Faghih, Mardavij Roozbehani+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2012

Smart Grid Energy Management参考文献 22被引用 9

一句话总结

本文针对随机电价下受爬坡约束的储能系统，构建了动态规划模型，推导出最优策略与价值函数的解析表达式。研究发现，由于爬坡限制，储能价值随容量增加而迅速饱和，即使在高电价波动下也是如此；同时揭示了储能系统在平均电价附近表现出显著的价格弹性，但在远离平均电价时弹性极低。

ABSTRACT

The primary concerns of this paper are twofold: to understand the economic value of storage in the presence of ramp constraints and exogenous electricity prices, and to understand the implications of the associated optimal storage management policy on qualitative and quantitative characteristics of storage response to real-time prices. We present an analytic characterization of the optimal policy, along with the associated finite-horizon time-averaged value of storage. We also derive an analytical upperbound on the infinite-horizon time-averaged value of storage. This bound is valid for any achievable realization of prices when the support of the distribution is fixed, and highlights the dependence of the value of storage on ramp constraints and storage capacity. While the value of storage is a non-decreasing function of price volatility, due to the finite ramp rate, the value of storage saturates quickly as the capacity increases, regardless of volatility. To study the implications of the optimal policy, we first present computational experiments that suggest that optimal utilization of storage can, in expectation, induce a considerable amount of price elasticity near the average price, but little or no elasticity far from it. We then present a computational framework for understanding the behavior of storage as a function of price and the amount of stored energy, and for characterization of the buy/sell phase transition region in the price-state plane. Finally, we study the impact of market-based operation of storage on the required reserves, and show that the reserves may need to be expanded to accommodate market-based storage.

研究动机与目标

• 刻画在爬坡约束与随机电价条件下储能系统的最优控制策略。
• 量化储能的长期平均经济价值，并推导出依赖于容量与爬坡限制的解析上界。
• 研究储能对实时电价的响应如何同时依赖于电价与内部状态（储能水平）。
• 评估在市场机制下储能系统中状态估计不完善对系统可靠性与备用需求的影响。
• 评估储能运行对市场价格弹性与系统稳定性的影响，尤其在信息不对称条件下的影响。

提出的方法

• 将储能管理问题建模为有限时域与无限时域的马尔可夫决策过程。
• 利用动态规划推导最优策略，表明最优动作同时依赖于电价与储能水平。
• 使用显式递推公式计算有限时域内储能的时间平均价值。
• 建立无限时域内储能时间平均价值的解析上界，该上界对固定支撑内的任意电价实现均成立。
• 通过计算实验分析不同电价与状态情形下储能响应的价格弹性。
• 引入相变框架，以识别价格-状态平面上的买入/卖出边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在随机电价下，受爬坡约束的储能经济价值如何随容量与电价波动而变化？
• RQ2 最优储能控制策略的解析结构是什么？其如何同时依赖于电价与储能水平？
• RQ3 最优策略如何诱导价格弹性？这种弹性在价格-状态空间的哪个区域最为显著？
• RQ4 对储能状态的不完全认知会对系统备用需求与运行稳定性产生何种影响？
• RQ5 爬坡约束的存在如何影响储能价值随容量增加而趋于饱和的特性？

主要发现

• 储能的经济价值是电价波动的非减函数，但由于有限爬坡速率，其随容量增加而迅速饱和。
• 推导出无限时域内储能时间平均价值的解析上界，该上界对固定支撑内任意可实现的电价均成立。
• 最优储能利用在平均电价附近诱导显著的价格弹性，但在远离平均电价时弹性极低，表明有效响应价格的范围较窄。
• 最优策略在价格-状态平面上表现出明显的买入/卖出相变区域，可通过所提框架进行计算表征。
• 若系统运营商无法完全掌握储能状态，为维持系统稳定，可能需要扩大备用容量。
• 最优策略对独立电价假设具有鲁棒性，实证回测使用真实日前市场数据也显示出较高的竞争力比率。