[论文解读] Where to Market Flexibility? Optimal Participation of Industrial Energy Systems in Balancing-Power, Day-Ahead, and Continuous Intraday Electricity Markets

Niklas Nolzen, Alissa Ganter+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2022

Electric Power System Optimization被引用 8

一句话总结

本文提出了一种多市场优化框架，协调工业能源系统在平衡功率、日前和连续盘中电力市场的投标行为。通过整合期权定价理论以估算盘中市场收益，并采用多阶段随机规划，该方法确定了一种最优、协调的投标策略，以最小化系统成本——案例研究显示，在多能系统中参与全部三个市场可实现最低的运行成本。

ABSTRACT

The rising share of volatile renewable generation increases the demand for flexibility in the electricity grid. Flexible capacity can be offered by industrial energy systems through participation on either the continuous intraday, day-ahead, or balancing-power markets. Thus, industrial energy systems face the problem of where to market their flexible capacity. Here, we propose a method to integrate trading on the continuous intraday market into a multi-market optimization for flexible industrial energy systems. To estimate the intraday market revenues, we employ option-price theory. Subsequently, a multi-stage stochastic optimization determines an optimized bidding strategy and allocates the flexible capacity. The method is applied to a case study of a multi-energy system showing that coordinated bidding in all three considered markets reduces cost most. A sensitivity analysis for the intraday market volatility reveals changing market preferences, thus emphasizing the need for multi-market optimization. The proposed method provides a practical decision-support tool in short-term electricity and balancing-power markets.

研究动机与目标

• 解决在可再生能源波动性增加的背景下，灵活容量在电力市场中的最优投放位置问题。
• 为工业能源系统在平衡功率、日前和连续盘中市场之间制定协调的投标策略。
• 利用期权定价理论估算连续盘中市场参与的经济价值。
• 通过不确定性下的集成多市场优化，实现运行成本最小化。
• 为短期电力和平衡功率市场参与提供实用的决策支持工具。

提出的方法

• 采用多阶段随机规划，优化在三个顺序市场（平衡功率、日前、连续盘中）中的投标决策。
• 应用期权定价理论，基于价格波动性和边际成本估算连续盘中交易的预期收益。
• 在多期二项式框架中建模风险中性资产支持交易，以确定最优盘中交易量。
• 整合市场特定约束，如网门关闭时间、容量和电能价格投标、以及接受概率。
• 整合能源转换设备（如热电联产、锅炉、制冷机）和能源载体（电能、天然气）之间的灵活容量分配。
• 使用基于情景的概率树来表示电力价格、平衡功率需求和盘中市场动态的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 工业能源系统在平衡功率、日前和连续盘中市场中的最优市场参与策略是什么？
• RQ2 在价格波动存在的情况下，如何准确估算连续盘中市场参与的经济价值？
• RQ3 在所有三个市场中协同投标对系统成本降低的影响如何？
• RQ4 盘中市场波动性的变化如何影响市场偏好和最优投标策略？
• RQ5 多市场参与在成本效率方面相较于单市场或双市场策略的优越程度如何？

主要发现

• 在多能系统案例研究中，协同参与平衡功率、日前和连续盘中市场可实现最低的系统成本。
• 将连续盘中市场整合到优化中，相比排除该市场的策略，可进一步降低运行成本。
• 期权定价理论能有效估算盘中价格波动的可货币化价值，从而实现准确的收益预测。
• 敏感性分析表明，盘中市场波动性会改变市场偏好，凸显了动态多市场优化的必要性。
• 所提方法可实现灵活容量在各市场间的最优分配，避免因顺序市场承诺导致的容量冲突。
• 案例研究显示，协同投标相比孤立参与各市场，能实现更高的收益捕获和更优的成本效率。