A state-of-charge based formulation for storage participation in electricity markets: Technical Reference

तकनीकी सारांश: बिजली बाजारों में भंडारण भागीदारी के लिए स्टेट-ऑफ-चार्ज आधारित सूत्रीकरण

समस्या विवरण
यह शोध पत्र ऊर्जा भंडारण प्रणालियों (ESS) के उच्च स्तर को बिजली बाजारों में एकीकृत करने की चुनौती को संबोधित करता है, विशेष रूप से जैसे-जैसे नवीकरणीय ऊर्जा का प्रवेश बढ़ता है और डिस्पैचेबल थर्मल संसाधनों में कमी आती है। लेखक का तर्क है कि अमेरिकी संगठित बाजारों (ISOs/RTOs द्वारा संचालित) में वर्तमान बाजार डिजाइन ESS का पर्याप्त प्रतिनिधित्व नहीं करते हैं। प्रचलित दृष्टिकोण भंडारण को एक युग्मित जनरेटर और लोड के रूप में मॉडल करता है, जिसके लिए भंडारण स्वामी को डिस्पैच क्षितिज (dispatch horizon) के दौरान अंतराल-दर-अंतराल बिड्स (चार्जिंग के लिए) और ऑफर्स (डिस्चार्जिंग के लिए) जमा करने की आवश्यकता होती है।

यह पारंपरिक दृष्टिकोण ESS स्वामियों को डिस्पैच क्षितिज के भीतर बिजली की कीमतों का पूर्वानुमान लगाने के लिए मजबूर करता है ताकि अनुकूलतम चार्जिंग और डिस्चार्जिंग निर्णय लिए जा सकें। शोध पत्र का तर्क है कि ऐसे पूर्वानुमान स्वाभाविक रूप से यादृच्छिक घटनाओं (जैसे, नवीकरणीय आउटपुट) और सिस्टम की स्थितियों के संबंध में अनिश्चितता के अधीन होते हैं। फलस्वरूप, पूर्वानुमान त्रुटियां उप-इष्टतम (sub-optimal) डिस्पैच, बढ़ी हुई परिचालन लागत और कम बाजार दक्षता का कारण बनती हैं। इसके अलावा, जैसे-जैसे ESS का प्रवेश बढ़ता है, मूल्य पूर्वानुमानों की अंतर्जातता (endogeneity) (जहाँ एक ESS का पूर्वानुमान दूसरों के कार्यों पर निर्भर करता है) इन अक्षमताओं को और बढ़ा देती है। शोध पत्र का मानना है कि वर्तमान मॉडल भंडारण की मौलिक भौतिक विशेषताओं को पकड़ने में विफल रहता है: स्टेट-ऑफ-चार्ज (SOC) और राउंड-ट्रिप दक्षता के माध्यम से अंतर-कालिक जुड़ाव (inter-temporal linkages), बिना ईंधन लागत के।

कार्यप्रणाली
शोध पत्र एक ऐसा बाजार डिजाइन प्रस्तावित करता है जहाँ स्वतंत्र सिस्टम ऑपरेटर (ISO) केंद्रीय रूप से ESS के स्टेट-ऑफ-चार्ज (SOC) प्रक्षेपवक्र (trajectory) को अनुकूलित करता है, जो राउंड-ट्रिप दक्षता और SOC सीमाओं जैसे तकनीकी लक्षणों को स्पष्ट रूप से मॉडल करता है।

• सूत्रीकरण (Formulation): डिस्पैच क्षितिज को अंतराल $t = 1, \dots, T$ में विभाजित किया गया है। ISO चार्जिंग पावर ($p_t$), डिस्चार्जिंग पावर ($g_t$), और SOC ($s_t$) के लिए चर (variables) को परिभाषित करता है।
• SOC डायनेमिक्स: SOC एक रैखिक समीकरण के अनुसार विकसित होता है जिसमें चार्जिंग दक्षता ($\alpha$), डिस्चार्जिंग दक्षता ($\beta$), और सेल्फ-डिस्चार्ज ($\gamma$) शामिल है। महत्वपूर्ण रूप से, मॉडल यह सुनिश्चित करता है कि चार्जिंग और डिस्चार्जिंग एक साथ नहीं हो सकती।
• लागत संरचना: मॉडल में डिस्चार्ज और चार्ज दरों के अनुपात में क्षरण (degradation) लागत शामिल है।
• बिड/ऑफर तंत्र: अंतराल-दर-अंतराल बिड्स के बजाय, भंडारण स्वामी निम्नलिखित जमा करता है:
  1. तकनीकी पैरामीटर (क्षमता, दक्षता, क्षरण गुणांक)।
  2. एक एकल एंड-ऑफ-होराइजन बिड/ऑफर। यह एक इच्छा-से-भुगतान (willingness-to-pay) फलन है, $w(\Delta s_T)$, जो अंतिम SOC ($s_T$) को "नो-पार्टिसिपेशन" SOC ($\bar{s}_T$, वह SOC यदि ESS कुछ भी नहीं करता है) से विचलित करने का मूल्य दर्शाता है।
• अनुकूलन (Optimization): ISO पावर बैलेंस, ट्रांसमिशन बाधाओं और SOC डायनेमिक्स के अधीन कल्याण-अधिकतमीकरण समस्या (कुल सिस्टम लागत को कम करना, जिसमें क्षरण घटाया गया है) को हल करता है। लोकेशनल मार्जिनल प्राइसेस (LMPs) को सिस्टम बाधाओं के लैग्रेंज मल्टीप्लायर्स से प्राप्त किया जाता है।
• सेटलमेंट: सेटलमेंट LMPs पर चार्ज और डिस्चार्ज की गई ऊर्जा, साथ ही अंतिम SOC विचलन के लिए बिड लाभ के आधार पर होता है। SOC के लिए कोई प्रत्यक्ष भुगतान नहीं होता है।

प्रमुख योगदान

1. इन-होराइजन प्राइस फोरकास्टिंग का उन्मूलन: प्राथमिक योगदान एक ऐसा बाजार डिजाइन है जो ESS स्वामियों के लिए डिस्पैच क्षितिज के भीतर बिजली की कीमतों का पूर्वानुमान लगाने की आवश्यकता को समाप्त करता है। ISO अंतर-कालिक अनुकूलन को संभालता है, जबकि ESS को केवल क्षितिज समाप्त होने के बाद ऊर्जा के मूल्य का आकलन करने की आवश्यकता होती है।
2. निष्ठावान तकनीकी प्रतिनिधित्व: मॉडल राउंड-ट्रिप दक्षता और SOC बाधाओं को केंद्रीय डिस्पैच अनुकूलन में स्पष्ट रूप से शामिल करता है, जो बिजली भंडारण संसाधनों की अनूठी विशेषताओं को पहचानने के लिए FERC ऑर्डर 841 की आवश्यकताओं के अनुरूप है।
3. दक्षता और स्केलेबिलिटी: ESS को इंट्रा-होराइजन कीमतों की भविष्यवाणी करने की आवश्यकता से अलग करके, यह डिजाइन पूर्वानुमान त्रुटियों के कारण होने वाले उप-इष्टतम डिस्पैच को कम करने का लक्ष्य रखता है। शोध पत्र हाल के कार्य का हवाला देता है जो यह दर्शाता है कि बड़े पैमाने की प्रणालियों (जैसे, MISO) में 100 से अधिक ESS इकाइयों के लिए इस सूत्रीकरण को हल करना डे-आहैंड मार्केट समय सीमा के भीतर कम्प्यूटेशनल रूप से व्यवहार्य है।
4. डिमांड-साइड संसाधनों का विस्तार: शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि SOC मॉडल को मूल्य-उत्तरदायी मांग (जैसे, दैनिक ऊर्जा आवश्यकताओं वाले औद्योगिक भार) का प्रतिनिधित्व करने के लिए विशिष्ट बनाया जा सकता है, जिसमें चार्जिंग क्षमता को शून्य पर सेट किया जाता है और लोड को एक ऊर्जा-सीमित संसाधन के रूप में माना जाता है।

परिणाम
शोध पत्र एक शैलीबद्ध (stylized) डे-आहैंड बाजार उदाहरण के माध्यम से प्रस्तावित डिजाइन को दर्शाता है जिसमें 6 अंतराल, थर्मल जनरेशन, नवीकरणीय जनरेशन और एक एकल ESS शामिल है।

• बेस केस: मध्यम भविष्य के मूल्य पूर्वानुमानों के साथ, ISO कम-कीमत/नवीकरणीय-समृद्ध अंतरालों के दौरान ESS को अनुकूल रूप से चार्ज करता है और उच्च-मांग वाले अंतरालों के दौरान डिस्चार्ज करता है। ESS बिना विशिष्ट अंतराल कीमतों की भविष्यवाणी किए सकारात्मक अधिशेष (surplus) प्राप्त करता है।
• उच्च इच्छा-से-भुगतान (High Willingness-to-Pay): जब ESS उच्च भविष्य के कीमतों का पूर्वानुमान लगाता है, तो ISO डिस्पैच को अधिक ऊर्जा बनाए रखने (उच्च एंड-ऑफ-होराइजन SOC) के लिए समायोजित करता है, जिससे बाद के अंतरालों में मार्जिनल प्राइसिंग बदल जाती है।
• वर्तमान डिजाइनों के साथ तुलना: शोध पत्र का तर्क है कि यदि अंतराल-दर-अंतराल बिड्स का उपयोग किया जाता, तो समान कल्याण-इष्टतम डिस्पैच प्राप्त करने के लिए ESS को ऐसे बिड्स जमा करने होंगे जो क्लीयरिंग प्राइसेस से पूरी तरह मेल खाते हों। यदि ESS निश्चित कीमतों या अपूर्ण पूर्वानुमानों का उपयोग करता है, तो इसके परिणामस्वरूप नकारात्मक अधिशेष या उप-इष्टतम डिस्पैच होने की संभावना है। प्रस्तावित मॉडल बिना इंट्रा-होराइजन मूल्य भविष्यवाणी के सकारात्मक अधिशेष (आर्बिट्राज लाभ) की गारंटी देता है।

महत्व और दावे
शोध पत्र का दावा है कि इसका प्रस्तावित सूत्रीकरण भंडारण भागीदारी के लिए अधिक मजबूत और कुशल तंत्र प्रदान करता है, विशेष रूप से जैसे-जैसे भंडारण का प्रवेश बढ़ता है। यह तर्क देता है कि इंट्रा-होराइजन कीमतों का पूर्वानुमान लगाने पर ESS स्वामियों की वर्तमान निर्भरता एक संरचनात्मक दोष है जो उन परिचालन चुनौतियों के समान है जो गलत ट्रांसमिशन या यूनिट कमिटमेंट मॉडल के कारण होती हैं।

लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि यह डिजाइन अमेरिकी संगठित बाजारों के दर्शन के अनुकूल है, जो ऐतिहासिक रूप से कल्याण को बेहतर बनाने के लिए तकनीकी विशेषताओं (जैसे, ट्रांसमिशन बाधाएं, यूनिट कमिटमेंट लागत) को स्पष्ट रूप से प्रदर्शित करने के लिए विकसित हुए हैं। SOC और राउंड-ट्रिप दक्षता को उपयोगकर्ता-सबमिट किए गए बिड्स पर बाधाओं के बजाय केंद्रीय अनुकूलन के रूप में मानकर, यह डिजाइन भंडारण भागीदारी के लिए बाधाओं को हटाने के FERC ऑर्डर 841 के जनादेश का पालन करता है। शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि इस मॉडल के लिए मौजूदा बाजार संरचनाओं में महत्वपूर्ण बदलावों की आवश्यकता है और यह सहायक सेवाओं (ancillary services) को भविष्य के कार्य के लिए छोड़ देता है, फिर भी यह उच्च-नवीकरणीय ग्रिडों में भंडारण एकीकरण को बढ़ाने के लिए एक आवश्यक आधार प्रदान करता है।