Market-based Allocation of Local Flexibility in Smart Grids

226 Pages·2016·1.56 MB·English

by  David Dauer

Market-based Allocation of Local Flexibility in
Smart Grids
A Mechanism Design Approach
ZurErlangungdesakademischenGradeseines
DoktorsderWirtschaftswissenschaften
(Dr. rer. pol.)
vonderFakultätfür
Wirtschaftswissenschaften
desKarlsruherInstitutsfürTechnologie(KIT)
genehmigte
DISSERTATION
von
M.Sc. DavidDauer
TagdermündlichenPrüfung: 19. September2016
Referent: Prof. Dr. ChristofWeinhardt
Korreferent: Prof. Dr. WolfFichtner
Karlsruhe,2016

Contents
ListofFigures vii
ListofTables ix
ListofAbbreviations xi
ListofSymbols xv
I IntroductionandFoundations 1
1 Introduction 3
1.1 ResearchOutline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 SmartGridFoundations 11
2.1 EnergyPolicy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.1 EuropeanPolicy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.1.1 CurrentSituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.1.2 LatestDevelopments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.2 GermanPolicy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2.1 EnergyTrilemma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.2.2 EnergyConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 ElectricityMarkets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 ElectricityValueChain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1.1 Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.1.2 TransmissionandDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1.3 Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.2 MarketStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2.1 Liberalization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2.2 ElectricityMarketsinGermany . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2.3 LatestDevelopments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
ii Contents
2.3 SmartGrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3.1 FlexibilityofSupplyandDemand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 DemandSideManagementandDemandResponse . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.3 AggregatorConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.4 Standardization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3 MarketDesign 39
3.1 MarketEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.1 MarketEngineeringFramework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.2 MarketEngineeringProcess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.3 CurrentTrendsandApplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 MechanismDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.1 Agents,Games,andStrategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.2 UtilityandPreferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.2.1 SocialChoice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.2.2 ParetoOptimality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.2.3 NashEquilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.2.4 SocialWelfare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.3 MechanismImplementationandProperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.3.1 AllocativeEfficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2.3.2 IncentiveCompatibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.3.3 IndividualRationality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.3.4 BudgetBalance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2.3.5 ComputationalComplexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.4 Direct-RevelationMechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.4.1 DominantStrategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.4.2 RevelationPrinciple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.4.3 Vickrey-Clarke-GrovesMechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.4.4 ImpossibilityResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 MarketsforSmartDistributionGrids 57
4.1 AMarketEngineeringOverviewofAggregators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1.1 EconomicandLegalEnvironment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.2 MarketOutcome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.1.3 AgentBehavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.4 MarketStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.4.1 Microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.4.2 ITInfrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.4.3 BusinessStructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Contents iii
4.1.5 TransactionObject . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.6 MarketOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2 EnvironmentalAnalysisandRelatedWork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.1 TheNeedforMarket-BasedAllocationofFlexibility . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2.2 TrafficLightConcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2.3 ClassificationintheCurrentMarketEnvironment . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.4 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.5 RelatedWork. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
II Design 79
5 SmartGridFlexibilityAuctionModelandAllocationProblem 81
5.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.1.1 Auctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.1.1.1 StandardAuctionTypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.1.1.2 ReverseAuctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.1.1.3 Multi-UnitAuctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.1.1.4 CombinatorialAuctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1.1.5 Multi-UnitCombinatorialReverseAuctions . . . . . . . . . . . . . 88
5.1.1.6 ElectricityAuctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.2 ResearchMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.2 AuctionModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2.1 ModelAssumptions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2.2 ModelDescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.3 AuctionProcess. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.4 BiddingLanguage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.5 UtilityFunctionsandSocialWelfare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.6 WinnerDeterminationProblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.6.0.1 UnidirectionalWDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.6.0.2 BidirectionalWDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6 SmartGridFlexibilityAuctionPricingRules 109
6.1 Pay-as-Bid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2 k-Pricing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.3 VCG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3.2 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
iv Contents
6.4 CorePricing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.4.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.4.2 PricingRule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.4.3 ApplicationtotheLoadFlexibilityAuction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
III ImplementationandEvaluation 131
7 SimulationDesign 133
7.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7.1.1 SimulationCharacteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.1.2 SimulationSteps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.2 ProblemDefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.2.1 CostandPricingRules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.2.2 ComputationalTractability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.3 SimulationModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.3.1 MarketMechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.3.2 BidderStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.3.2.1 NumberofBidders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.3.2.2 BidderFlexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.3.2.3 BidderHeterogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.3.3 BiddingProcess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.4 SimulationSettings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.4.1 InputData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.4.1.1 WindandSolarData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.4.1.2 BalancingEnergyPrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.4.2 Parametrization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.5 SimulationImplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8 SimulationResults 151
8.1 BidderStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
8.1.1 NumberofBidders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
8.1.2 BidderFlexibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
8.1.3 BidderHeterogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
8.2 ProductStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.3 DemandStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
8.4 ComputationalTractability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
8.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Contents v
IV Finale 171
9 ConclusionandOutlook 173
9.1 SummaryandContribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
9.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Bibliography 179

List of Figures
1.1 Structureofthiswork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 EnergyTrilemma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Electricityvaluechainwithselectedfieldsofcompetence . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 GrosselectricitygenerationinGermany2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Installedgenerationcapacityandgrosselectricitygenerationsince1991 . . . . . . 20
2.5 Gridstructureandvoltagelevels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 FinalenergyconsumptionbyenergysourcetypeGermany2014 . . . . . . . . . . . 23
2.7 TimelineoffinalelectricityconsumptionperconsumertypeinGermanysince1991 24
2.8 StructureofelectricitymarketswithproductsandservicesinGermany . . . . . . . 27
2.9 TimelineoftheelectricitymarketsinGermany. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.10 Demandsideflexibilitycategories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1 Marketengineeringframeworkandprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.1 Processoftheflexibilityauction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2 Bidamountsofextensivebid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3 Bidamountsofcompactbid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.4 Bidamountsofcombinatorialbid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.1 Corepricingexample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2 Reversecorepricingexample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.1 Activitydiagramofthesimulationflow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.2 Bidderflexibilityforl =2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.3 Bidderflexibilityforl =7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.4 ExemplarydistributionsofbidsizesunderZipf’slawfor5and15aggregators . . . 143
7.5 Deviationsbetweenex-anteandex-postwindandsolargenerationinQ1/2014 . . 145
7.6 Filtered deviations between ex-ante and ex-post wind and solar generation in
Q1/2014 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.7 BalancingenergypricesforQ1/2014 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.8 Simulationevaluationspace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
viii ListofFigures
7.9 Classdiagramofthesimulationarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
8.1 DSOcostinEURasafunctionofthenumberofbiddingaggregators . . . . . . . . 153
8.2 DSOcostinEURasafunctionofthepricingrule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.3 Numberofacceptedbidsasafunctionofabidder’sflexibilitypartitionedbythe
numberofparticipatingbidders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
8.4 DSOcostinEURasafunctionofthepricingrulepartitionedbybidderheterogeneity161
8.5 DSOcostinEURasafunctionofthepricingrulepartitionedbythenumberof
products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8.6 DSOcostinEURasafunctionofthepricingrulepartitionedbythedemandsource 166
8.7 Runtimesafunctionofthenumberofbiddingaggregators . . . . . . . . . . . . . . 168