[论文解读] Designing Day-Ahead Multi-carrier Markets for Flexibility: Models and Clearing Algorithms

Shahab Shariat Torbaghan, Mehdi Madani+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2020

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 49被引用 4

一句话总结

本文提出了一种集成的日前多能源市场出清模型，涵盖电力、天然气和热力系统，引入先进的转换与储能订单类型，实现高效的灵活性管理。该文提出两种去中心化出清算法，在温和的收敛假设下，可实现与集中式出清等效的社会福利最大化结果，显著降低系统运营商的市场风险与机会成本。

ABSTRACT

There is an intrinsic value in higher integration of multi-carrier energy systems (especially gas and electricity), to increase operational flexibility in the electricity system and to improve allocation of resources in gas and electricity networks. The integration of different energy carrier markets is challenging due to the existence of physical and economic dependencies between the different energy carriers. We propose in this paper an integrated day-ahead multi-carrier gas, electricity and heat market clearing which includes new types of orders and constraints on these orders to represent techno-economic constraints of conversion and storage technologies. We prove that the proposed market clearing gives rise to competitive equilibria. In addition, we propose two decentralised clearing algorithms which differ in how the decomposition of the underlying centralised clearing optimisation problem is performed. This has implications in terms of the involved agents and their mutual information exchange. It is proven that they yield solutions equivalent to the centralised market clearing under a mild assumption of sufficient number of iterations. We argue that such an integrated multi-carrier energy market mitigates (spot) market risks faced by market participants and enables better spot pricing of the different energy carriers. The results show that conversion/storage technology owners would suffer from losses and/or opportunity costs, if they were obliged to only use elementary orders. For the test cases considered in this article, sum of losses and opportunity costs could reach up to 13,000 EUR/day and 9,000 EUR/day respectively, compared with the case where conversion and storage orders are used.

研究动机与目标

• 设计一种日前多能源市场出清框架，集成电力、天然气与热力系统，以提升运行灵活性与资源配置效率。
• 建立先进订单类型（特别是转换与储能订单）的模型，以捕捉能源转换与储能技术的技经约束。
• 开发去中心化出清算法，实现与集中式市场出清结果一致，同时最小化各参与方之间的信息交换。
• 证明所提出的市场出清机制可产生竞争性均衡，确保经济效率与市场稳定性。
• 量化限制市场参与者仅使用基础订单与允许使用高级订单之间的财务影响，特别是损失收入与机会成本。

提出的方法

• 本文构建了一个集中式社会福利最大化优化问题，集成多能源能源系统，包含转换与储能技术的物理约束。
• 引入新型订单类型：带有效率与容量约束的转换订单，以及带注入/提取限制与价差成本的储能订单。
• 基于对偶分解，将市场出清模型分解为两种去中心化算法，二者在对偶松弛于各参与方的应用方式上有所不同。
• 算法利用对偶变量（市场价格）协调各能源载体之间的出清，确保市场出清与个体理性。
• 理论分析证明，在足够迭代次数的温和假设下，两种去中心化算法均可收敛至与集中式问题相同的最优解。
• 利用线性规划中的强对偶性，证明最优解与对偶变量（市场价格）构成竞争性均衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计多能源市场，以高效整合电力、天然气与热力系统，同时尊重转换与储能技术的物理与经济约束？
• RQ2 在日前市场中，需要何种类型的先进订单机制，才能完整体现转换与储能资产的灵活性潜力？
• RQ3 去中心化出清算法是否可在不共享全部信息的前提下，实现与集中式市场出清相同的福利最大化结果？
• RQ4 限制市场参与者仅使用基础买卖订单与允许使用高级转换与储能订单之间的经济影响是什么？
• RQ5 在何种条件下，去中心化市场出清算法可收敛至集中式问题的最优解？

主要发现

• 所提出的市场出清机制可确保竞争性均衡，最优对偶变量作为市场出清价格，准确反映真实的系统边际成本。
• 在足够迭代次数的温和假设下，两种去中心化出清算法产生的解与集中式出清结果完全等效，验证了其收敛性与经济等价性。
• 在测试案例中，当转换与储能技术所有者被限制使用基础订单而非高级订单时，总损失与机会成本分别增加至最高每日€13,000与€9,000。
• 多能源市场的整合可缓解现货市场风险，并实现各能源载体更准确、高效的现货定价。
• 使用高级订单类型可显著提升社会福利，通过更优利用灵活资产，尤其在高比例可再生能源渗透的系统中表现突出。
• 基于强对偶性的理论基础证实，最优资源配置与市场价格具有经济效率与激励相容性。