[论文解读] Duration-Differentiated Services in Electricity

Ashutosh Nayyar, Matías Negrete-Pincetic+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2014

Smart Grid Energy Management参考文献 24被引用 6

一句话总结

本文提出了一种时长差异化电力服务模式，消费者通过合同约定特定的电力供应时长，从而在高比例可再生能源渗透下实现供需平衡。该研究引入一种分配算法与远期市场机制，通过基于时长和边际成本的灵活负荷调度与定价，实现高效且福利最大化的结果。

ABSTRACT

The integration of renewable sources poses challenges at the operational and economic levels of the power grid. In terms of keeping the balance between supply and demand, the usual scheme of supply following load may not be appropriate for large penetration levels of uncertain and intermittent renewable supply. In this paper, we focus on an alternative scheme in which the load follows the supply, exploiting the flexibility associated with the demand side. We consider a model of flexible loads that are to be serviced by zero-marginal cost renewable power together with conventional generation if necessary. Each load demands 1 kW for a specified number of time slots within an operational period. The flexibility of a load resides in the fact that the service may be delivered over any slots within the operational period. Loads therefore require flexible energy services that are differentiated by the demanded duration. We focus on two problems associated with durations-differentiated loads. The first problem deals with the operational decisions that a supplier has to make to serve a given set of duration differentiated loads. The second problem focuses on a market implementation for duration differentiated services. We give necessary and sufficient conditions under which the available power can service the loads, and we describe an algorithm that constructs an appropriate allocation. In the event the available supply is inadequate, we characterize the minimum amount of power that must be purchased to service the loads. Next we consider a forward market where consumers can purchase duration differentiated energy services. We first characterize social welfare maximizing allocations in this forward market and then show the existence of an efficient competitive equilibrium.

研究动机与目标

• 解决间歇性可再生能源供给与需求之间的平衡问题，将控制权转移至需求侧。
• 将灵活负荷建模为按电力供应时长区分的服务（例如，1 kW 持续 h 个时间片段）。
• 开发一种操作算法，以确定在可用功率下对时长差异化负荷的可行分配方案。
• 设计一种远期市场机制，通过基于时长的定价实现高效且福利最大化的结果。
• 确定供给充足时的条件，并在供给不足时识别所需的最低额外采购量。

提出的方法

• 将供电分配问题建模为最大流/最小割问题的可行性检查，以判断可用功率是否足以满足所有负荷需求。
• 提出一种分解算法，根据负荷的时长需求和供电可用性，将负荷分配至时间片段。
• 采用社会福利最大化框架对远期市场进行建模，消费者通过选择合同持续时间以最大化效用减去成本。
• 推导出最优定价规则，其中价格为时长的线性函数，且价格设定为边际成本或最优合同长度下的首期效用增量。
• 证明在远期市场中存在竞争性一般均衡，即价格可清除市场并实现效率。
• 分析实时现货市场，并通过实例证明其可能因价格波动和缺乏协调而无法实现效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，给定的一组时长差异化负荷可由可用的可再生能源和常规发电完全满足？
• RQ2 当供给不足以满足需求时，必须采购的最小额外电力量是多少？
• RQ3 针对时长差异化服务的远期市场能否实现社会福利最大化与高效竞争性均衡？
• RQ4 在存在灵活负荷的情况下，实时现货市场的效率与远期市场相比如何？
• RQ5 何种定价机制可确保灵活性更高的消费者获得适当的经济激励？

主要发现

• 所有负荷均可被满足的充要条件是：各时间片段的总供给量不低于所有所需时长的总和。
• 存在一种高效的分配算法，通过最大流公式构建可行调度方案，确保在供给充足时所有负荷均被满足。
• 当供给不足时，所需最小额外电力由总时长需求与供给能力之间的差额决定。
• 在远期市场中，当价格设定为时长的线性函数（价格等于边际成本或基于最优合同长度下的效用增量）时，可实现高效竞争性均衡。
• 当消费者选择的时长使得额外一个时间片段的边际效用等于供电的边际成本时，可实现社会福利最大化分配。
• 一系列实时现货市场可能无法实现效率，如反例所示：尽管存在灵活负荷，但因协调失败仍导致次优结果。