Locational Energy Storage Bid Bounds for Facilitating Social Welfare Convergence

技术摘要：促进社会福利收敛的储能位置性投标边界

问题陈述
电力市场中储能设施的快速部署，在规制市场势力和确保社会福利收敛方面带来了重大挑战。与基于已知燃料成本报价的常规火电机组不同，储能参与者必须提交能够考量未来机遇与不确定性的投标，而这些因素难以量化。当前的市场实践依赖储能参与者的策略性投标，往往导致经济性的容量 withholding（即 withholding 容量以在实时市场中套利或预期价格飙升）。这种行为可能导致市场低效、价格过度波动以及社会福利降低。现有的监管措施，如确定性默认投标（例如加州独立系统运营商 CAISO 的第四高日前节点边际电价），往往过于保守，忽视了实时不确定性以及机会价值对荷电状态（SoC）的依赖性。此外，由于缺乏稳健的机会成本基准，难以区分旨在捕捉未来机遇的合法经济性 withholding 与操纵性 withholding，这使得检测市场操纵变得困难。

方法论
本文提出了一种新颖的框架，用于生成储能的位置性、机组特异性投标边界（报价上限）。该方法论通过以下步骤实施：

1. 神谕经济调度（OED）： 作者首先构建了一个多周期经济调度问题，假设需求和可再生能源发电具有完美预见性。这作为一个理论基准，用于确定储能的优化边际成本，该成本包括物理退化成本以及源自时间耦合约束的机会成本。
2. 机会约束经济调度（CED）： 为解决无法预测未来不确定性的实际困难，将 OED 扩展为机会约束形式。该框架纳入了净负荷不确定性（来自可再生能源和负荷）以及系统运营商的风险偏好（由置信水平 $1-\epsilon$ 定义）。
3. 确定性重构： 将机会约束问题重构为确定性凸等价形式。这涉及利用净负荷的逆累积分布函数（CDF）将概率约束替换为确定性约束。作者探讨了多种不确定性模型，包括正态分布、鲁棒近似（Cantelli 不等式）以及适用于离散历史数据的通用分布。
4. 投标边界的推导： CED 框架中与储能能量平衡约束相关的对偶变量代表了风险感知的边际机会成本。作者基于这些对偶变量推导了放电和充电投标边界（$A_{s,t}$ 和 $B_{s,t}$）。边界定义如下：
   • 放电边界：$A_{s,t} = M_s + \max(\hat{\theta}_{s,t})/\eta_s$
   • 充电边界：$B_{s,t} = \min(\hat{\theta}_{s,t})\eta_s - M_s$
     其中，$M_s$ 为物理退化成本，$\eta_s$ 为效率，$\hat{\theta}_{s,t}$ 为风险感知的机会成本。
5. 基于智能体的仿真： 使用修改后的 8 区域 ISO-NE 测试系统和基于智能体的市场仿真，测试了所提边界的有效性。仿真包括采用经济性 withholding 策略的策略性储能参与者，涵盖了不同的可再生能源渗透率（30%、50%）、储能容量（20%、35%）以及系统不确定性水平。

主要贡献

1. 机会约束边界： 本文引入了一种新颖框架，为储能报价提供概率性投标边界。这些边界源自显式纳入净负荷不确定性和系统运营商风险偏好的多周期经济调度，为防止市场势力滥用提供了预防性措施。
2. 理论定价分析： 作者提供了理论证明，确立了边界的关键特性：
   • 置信度保证： 边界以保证的置信水平（$1-\epsilon$）对真实边际成本进行封顶。
   • SoC 单调性： 投标边界随着储能荷电状态（SoC）的增加而单调递减，反映了边际价值的递减。
   • 不确定性与风险缩放： 边界随着净负荷不确定性和系统运营商风险厌恶程度（更低的 $\epsilon$）的增加而单调递增。这与常规机组形成对比，后者的报价独立于这些因素。
   • 风险感知 LMP： 边界被证明与风险感知的节点边际电价（LMP）相一致。
3. 仿真验证： 基于智能体的仿真研究表明，所提边界优于现有的确定性边界。它们有效地将储能投标与社会福利目标对齐，在维持或增加储能利润的同时降低了系统成本，特别是在高经济性 withholding 的场景下。

结果
在 ISO-NE 测试系统上的数值实验得出了以下结果：

• 系统成本降低： 在 30% 可再生能源容量和 20% 储能容量的场景下，与无监管的策略性投标相比，所提投标边界将平均系统成本降低了 0.17%。随着储能容量和经济性 withholding 的增加，这种降低幅度呈规模效应。
• 储能盈利能力： 与“封顶报价会降低利润”的直觉相反，所提边界在各种场景下将平均储能利润提高了 10.16%。这归因于边界防止了导致非最优出清和错失机遇的低效过度 withholding。
• 与确定性边界的比较： 基于历史 LMP 的确定性边界在高不确定性下被发现低估了机会成本，导致系统成本增加 0.01%，储能利润减少约 20%。机会约束方法在处理不确定性方面被证明更为优越。
• 参数敏感性：
  • 风险偏好（$\epsilon$）： 较低的 $\epsilon$（较高的风险厌恶）导致更高的投标边界，但社会福利改善幅度减小。5% 至 10% 的 $\epsilon$ 被确定为实用的权衡点。
  • 不确定性模型： 经验分布和通用分布模型比鲁棒近似产生了更好的社会福利改善，后者产生了过高的边界。
  • 稀缺性： 在稀缺场景（高价格）下，边界表现尤为出色，有效遏制了否则会导致成本飙升的过度 withholding。
• 计算效率： 虽然精确重构随储能机组数量呈指数级扩展，但应用鲁棒松弛（避免二元变量）将计算时间线性降低，使得在约 102 秒内求解包含 10,000 个机组的系统成为可能。

意义与主张
本文声称解决了对创新监管方法的迫切需求，以管理电力市场中储能设施的激增。通过提供一个可处理的、机会约束的框架，作者为系统运营商提供了一种工具，以：

• 规制市场势力： 防止损害系统效率的过度经济性 withholding，同时不扼杀合法的策略性行为。
• 促进社会福利： 将储能投标与社会福利目标对齐，降低整体系统成本。
• 保持中立性： 允许运营商在市场出清中保持中立，同时维护可靠性标准，因为边界源自系统级优化而非特定参与者数据。
• 适应性： 该框架设计为可转移至各种市场（例如 CAISO），并可根据特定的不确定性概况和风险偏好进行调整。

作者强调，他们的方法承认为捕捉未来机遇而进行经济性 withholding 的有效性，但旨在封顶那些超过基于风险感知系统视角得出的真实边际成本的报价。这项工作被呈现为随着可再生能源和储能容量规模扩大，管理储能整合的实用解决方案。