[论文解读] The entry and exit game in the electricity markets: a mean-field game approach

René Aïd, Roxana Dumitrescu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2020

Stochastic processes and financial applications参考文献 33被引用 26

一句话总结

本文通过最优停时的均场博弈模型，分析电力市场中可再生能源发电企业的战略进入与传统发电企业的退出行为。证明了纳什均衡的存在性与唯一性，并表明可再生能源补贴虽能提升渗透率，但可能推高峰荷电价——因此需辅以容量机制以保障系统稳定与可负担性。

ABSTRACT

We develop a model for the industry dynamics in the electricity market, based on mean-field games of optimal stopping. In our model, there are two types of agents: the renewable producers and the conventional producers. The renewable producers choose the optimal moment to build new renewable plants, and the conventional producers choose the optimal moment to exit the market. The agents interact through the market price, determined by matching the aggregate supply of the two types of producers with an exogenous demand function. Using a relaxed formulation of optimal stopping mean-field games, we prove the existence of a Nash equilibrium and the uniqueness of the equilibrium price process. An empirical example, inspired by the UK electricity market is presented. The example shows that while renewable subsidies clearly lead to higher renewable penetration, this may entail a cost to the consumer in terms of higher peakload prices. In order to avoid rising prices, the renewable subsidies must be combined with mechanisms ensuring that sufficient conventional capacity remains in place to meet the energy demand during peak periods.

研究动机与目标

• 建模市场电价反馈下可再生能源与传统发电企业之间的动态互动。
• 分析可再生能源补贴与容量支付等政策工具对市场结果的影响。
• 通过维持高峰负荷期间足够的传统发电容量，确保系统可靠性。
• 在非光滑价格函数设定下，建立均衡存在性与唯一性的理论基础。
• 通过基于英国电力市场设计的仿真，提供实证洞察。

提出的方法

• 构建包含两类参与者（可再生能源发电企业选择最优进入时间，传统发电企业选择最优退出时间）的均场博弈模型。
• 采用松弛解法处理由优先顺序机制导出的非光滑价格泛函的最优停时均场博弈问题。
• 将市场价格建模为总可再生能源与传统发电容量的函数，并与外生确定性需求曲线匹配。
• 采用数值算法计算价格与装机容量随时间演化的均衡轨迹。
• 将理论结果应用于校准参数后的简化英国电力市场仿真。
• 验证最优响应迭代的收敛性，确认数值稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 可再生能源补贴如何影响电力市场中新可再生能源电站的进入时机与规模？
• RQ2 可再生能源渗透率对基荷与峰荷电价有何影响？
• RQ3 在可再生能源发电导致批发电价低迷的情况下，传统发电企业能否维持市场参与？
• RQ4 容量支付如何影响均衡结果，并防止高峰需求期间的电价飙升？
• RQ5 在何种条件下可保证此均场博弈设定下纳什均衡的存在性与唯一性？

主要发现

• 可再生能源补贴显著提升可再生能源渗透率，仿真中15年内装机容量几乎翻倍。
• 尽管基荷电价因可再生能源供应增加而下降，但在纯补贴制度下，峰荷电价仍上升，尤其在冬季月份更为明显。
• 在可再生能源补贴情景（情景1）中，最终几年的峰荷电价高于基线情景与容量支付情景。
• 引入对传统发电企业的容量支付（情景2）可降低峰荷电价，即使可再生能源补贴水平与情景1相同。
• 均衡价格过程唯一确定，且最优响应收益收敛速率为1/n，证实了数值稳定性。
• 结果表明，仅靠可再生能源补贴可能在高峰需求期间增加消费者成本，因此需辅以其他机制以维持传统发电容量。