[论文解读] An Energy Sharing Game in Prosumers based on Generalized Demand Bidding: Model and Properties

Yue Chen, Shengwei Mei+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2019

Smart Grid Energy Management参考文献 18被引用 4

一句话总结

本文提出了一种广义需求投标机制，用于产消者之间的能源共享，通过通用的供需函数建模其参与行为，以实现纳什均衡。该均衡确保所有产消者的不满度降低，且随着市场规模和价格弹性增加，社会福利得以提升。

ABSTRACT

The advent of energy that not only consume but also produce energy, advocates a sharing market to encourage energy exchange. Motivated by the recent technology of online platforms, this paper proposes a simple but effective mechanism for energy sharing by generalizing demand bidding. Towards this end, a generic supply-demand function (SDF) is devised for individual prosumers to determine their role of buyer or seller in the sharing market, where the outcome is shown to be a Nash equilibrium (NE) among prosumers. The existence and uniqueness of NE are proved. Properties of the equilibrium price are uncovered. Compared with individual decision-making, the disutility of each prosumer can always be reduced via purchasing cheaper energy in the sharing market, leading to a Pareto improvement. It is revealed that the total cost of prosumers decreases with the price elasticity and the sharing market equilibrium can achieve social optimum when the number of prosumers becomes large enough. It is also found that introducing competition benefits social welfare. Case studies confirm the theoretical results with analyses on the impacts of several key factors. This work is expected to provide insights on understanding and designing future energy sharing markets.

研究动机与目标

• 设计一种去中心化的能源共享机制，使产消者——即同时生产和消费能源的个体——能够高效交易。
• 解决在无集中控制的情况下协调产消者之间能源交换的挑战，利用在线平台技术。
• 确立能源共享为所有参与者及整个社会带来更好结果的条件。
• 分析市场结构、价格弹性和竞争对均衡效率与社会福利的影响。

提出的方法

• 提出一种广义供需函数（SDF），使每个产消者可根据市场状况自主决定其作为买方或卖方的角色。
• 将能源共享过程建模为非合作博弈，产消者根据其SDF进行策略性投标，以最大化个体效用。
• 在所提出的博弈论框架中，建立纳什均衡（NE）的存在性与唯一性。
• 推导均衡价格的解析性质，包括其对价格弹性和市场规模的依赖关系。
• 使用比较静态分析，研究市场结构和弹性变化对系统效率的影响。
• 通过案例研究验证理论发现，并考察弹性与产消者数量等关键参数的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在所提出的产消者能源共享博弈中，纳什均衡在何种条件下存在且唯一？
• RQ2 通过广义需求投标进行能源共享，相较于个体决策，对产消者个体不满度有何影响？
• RQ3 价格弹性与能源共享市场效率之间存在何种关系？
• RQ4 能源共享市场能否实现社会最优？在何种条件下可实现？
• RQ5 在产消者之间引入竞争，如何影响能源共享市场中的社会福利？

主要发现

• 所提出的能源共享机制实现了唯一的纳什均衡，确保了市场结果的稳定性。
• 与个体决策相比，参与共享市场的每个产消者均经历了更低的不满度，表明实现了帕累托改进。
• 随着价格弹性增加，产消者的总成本下降，反映出市场响应能力的提升。
• 当产消者数量足够大时，市场均衡趋近于社会最优。
• 在产消者之间引入竞争可提升社会福利，体现了市场参与的益处。
• 案例研究证实，价格弹性与市场规模等关键因素显著影响均衡效率与成本降低。