Προσαρμοστικά μαθησιακά παίγνια κατά Nash σε απελευθερωμένες αγορές ηλεκτρικής ενέργειας

Abstract

The objective of the thesis is to simulate and study liberalized power markets by modeling them as adaptive stochastic learning Nash games. Structural issues, rules and behavior of power markets and of their participants are studied with the use of software developed within the context of the thesis. Power markets are modeled as a non-cooperative Nash game with incomplete information, involving many players with conflicting interests, each of whom is interested in achieving his own goal, i.e. the maximization of his profit. The market model includes: (a) an Independent System Operator who buys quantities of electricity in order to cover the demand and (b) players / generators who submit financial offers, in the form of their marginal cost curve, for the disposal of their generation capacity. Players do not know the costs, the options or the results of their opponents and therefore they use a stochastic adaptive learning algorithm to compensate this lack of information. First, the impact and the sensitivity of the model are assessed with respect to market characteristics (number and type of generators, level of price cap) and the technical parameters of the game as well (type and size of the adaptation step of the offer coefficients and the stochastic behavioral profile). Then, an extensive comparison of the two pricing methods (Uniform pricing and Pay-as-Bid) for different market types and participants is conducted. Following, two variations of the original model along with the respective comparisons and evaluations are introduced and analyzed: (a) the market model of two interconnected power markets and (b) the market model with demand side bidding (DSB) and parallel introduction of Generation and Demand Aggregators who use Distributed Energy Resources (DER) of various technologies and interruptible load bids. Finally, comparisons of the model results (convergence values) and the analytically calculated Nash equilibria of the corresponding games are presented.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η προσομοίωση και μελέτη απελευθερωμένων αγορών ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση προσαρμοστικών στοχαστικών μαθησιακών παιγνίων κατά Nash. Με τη χρήση ειδικού λογισμικού που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της διατριβής μελετώνται θέματα διάρθρωσης, κανόνων και συμπεριφοράς των αγορών ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και των συμμετεχόντων σε αυτές, μοντελοποιώντας τη λειτουργία τους ως ένα μη συνεργατικό παίγνιο Νash με ελλιπή πληροφόρηση, όπου συμμετέχουν πολλοί παίκτες με αντικρουόμενα συμφέροντα, έκαστος των οποίων ενδιαφέρεται για την επίτευξη του δικού του σκοπού, εν προκειμένω την μεγιστοποίηση του κέρδους του. To μοντέλο της αγοράς περιλαμβάνει: (α) έναν ανεξάρτητο διαχειριστή ο οποίος αγοράζει ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας για να καλύψει τη ζήτηση και (β) παίκτες/παραγωγούς που υποβάλλουν οικονομικές προσφορές με τη μορφή της καμπύλης του οριακού τους κόστους για τη διάθεση της παραγωγής τους. Οι παραγωγοί δεν γνωρίζουν τα κόστη, τις επιλογές και τα αποτελέσματα των αντιπάλων τους και για το λόγο αυτό χρησιμοποιούν έναν προσαρμοστικό στοχαστικό μαθησιακό αλγόριθμο προκειμένου να αντισταθμίσουν αυτή την έλλειψη πληροφορίας. Αρχικά, εξετάζονται και αξιολογούνται οι επιπτώσεις και η ευαισθησία του μοντέλου ως προς τα χαρακτηριστικά της αγοράς (πλήθος και τύπος παραγωγών, ανώτατο επιτρεπτό όριο προσφορών) αλλά και των τεχνικών παραμέτρων του παιγνίου (τύπος και μέγεθος βήματος προσαρμογής συντελεστών προσφοράς και στοχαστικού προφίλ συμπεριφοράς). Ακολουθεί μία εκτεταμένη σύγκριση των δύο μεθόδων τιμολόγησης (Uniform Pricing και Pay-As-Bid) για διαφορετικά είδη αγοράς και συμμετεχόντων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται δύο παραλλαγές του αρχικού μοντέλου με τη διενέργεια αντίστοιχων συγκρίσεων και αξιολογήσεων: (α) το μοντέλο δύο συνδεδεμένων αγορών ηλεκτρικής ενέργειας και (β) το μοντέλο με δυνατότητα υποβολής προσφορών από την πλευρά της ζήτησης (DSB) και παράλληλη εισαγωγή της έννοιας του Εκπροσώπου Παραγωγής ή Ζήτησης που χρησιμοποιεί Κατανεμημένη τοπική Παραγωγή (DER) διαφόρων τεχνολογιών καθώς και προσφορές περικοπής φορτίου. Τέλος, γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τις προσομοιώσεις (τιμές σύγκλισης του μοντέλου) με τα αναλυτικώς υπολογιζόμενα σημεία ισορροπίας Nash των αντίστοιχων παιγνίων.