수요관리사업자가 수요반응 전력시장에 미치는 영향 분석 - 이광호
Analysis on Demand Response Aggregator in Electricity Market
Abstract - The purpose of Demand Response is to reduce the cost of excessive resources and equipment by spontaneous load reductions at peak loads. Having enough power consumers participating in these schemes is key to achieving the goal. Demand Response Aggregator (DRA) is responsible for recruiting demand resources and managing them to participate in reducing the load. DRAs change the price elasticity of demand functions by providing incentives to demand response, thereby affecting price formation in the electricity market. In this paper, this process is modeled to analyze the relationship between DRA's strategic bidding and market outcomes and load reductions. It analyzes the results by applying to competition between DRAs, competition between DR and Gencos, and coexistence of DR load and non-DR load. It is noteworthy that we have found a phenomenon called the Balloon Effect.
1. 개요 및 연구방향
1-1. Demand Response (수요반응자원)
- 수요반응자원이 도입됨으로써 전력수요의 가격 탄력성은 증가하게 되고, 이로 인해 전력시장에서의 시장지배력 완화를 기대 할 수가 있다. DR에 따른 장점들은 다양하게 제시되고 있으나 문제는 DR에 참여하는 부하가 충분히 확보되고 안정적으로 유지되는가이다.
- 수요반응자원이란, 전력수요가 피크에 이를 때 전력사용자에게 인센티브를 부여하여 자발적으로 부하를 감축하게 하는 것이다.
- 전력공급 안정화를 위한 대책이 과거 공급에서 수요 측면으로 관심이 모아지고 있다.
1-2. 연구방향
DRA(Demand Response Aggregator)가 전략적으로 입찰량을 선택하는 상황을 Cournot 모형으로 정식화하여 DRA 경쟁의 심화에 따른 부하감축량의 변화를 분석
- 수요관리사업자의 부하감축에 대한 입찰량을 전략변수로 Cournot 모형의 내쉬균형을 구해서 몇 가지 형태의 경쟁결과를 분석
- 수요반응자원이 전력시장에서 발전력 자원과 동등하게 경쟁하는 형태 분석
1-3. 수요관리사업자와 전력시장의 관련성
DRA는 자신의 이득을 극대화하기 위해 수요자원들과 인센티브 등의 각종 계약을 맺고 전력시장에는 감축량을 전략적으로 공급하는 방식으로 중요한 역할을 하게 된다.
1-4. 수요관리사업자와 수요함수
qd : DRA의 감축에 대한 입찰량
p : 시장가격
qi : i번째 부하전력
α,β : 수요함수의 절편과 기울기
γ : DR 민감도 (DRA의 입찰량에 따라 전력소비자의 반응 민감도를 나타내며 수요함수의 절편값을 변화시킨다.) / 비반응 수요함수의 경우는 0
- 감축의 입찰이 적용되면 절편값은 α에서 α-γ∙q_d로 작아진다.
- 입찰량이 클수록 그리고 민감도가 강할수록 수요함수의 절편값은 더 많이 낮 아진다.
- 입찰량에 따라 절편이 낮아지면 기울기 β 는 변하지 않으므로 동일한 가격에 대해 수요량은 작은 값을 갖고 이는 감축부하량이 증가한 것으로 해석된다.
1-5. 수요관리사업자와 목적함수
p_o,q_o : 부하감축을 하지 않을 때의 가격과 부하전력
p(q_d ), q_i (q_d ) : DRA의 입찰량 q_d에 따라 변화된 가격과 부하전력
∆d = ∑q_io -q_i (q_d ) : 부하감축량
- 부하감축 이전에 부하측에서 지불해야하는 금액과 감소된 지불금액의 차이를 나타내며 계수 k는 가중 계수로서 DRA에게 지불하는 비율을 나타냄
- 부하감축에 대한 대가로 시장운영자로부터 DRA가 수령하는 금액
- 감축부하량을 제곱한 것으로 부하감축에 따라 수요반응 소비자에게 지불해야하는 인센티브 등의 비용
- 감축을 수행한 계약수요자에게 지불하는 금액
목적함수는 수입금에서 비용을 제외하는 이득을 의미
2. 수요관리사업자의 독점과 경쟁
3. 비반응 수요와 풍선효과
풍선효과란 풍선의 한쪽을 누르면 다른 쪽이 볼룩 튀어나오는 것처럼 어떤 부분의 문제를 해결하면 다른 부분에서 문제가 다시 발생하는 현상을 가리키는말이다.
그림은 비반응 수요함수(p1)와 반응수요함수(p2)에서 부하전력과 가격의 변화를 표시한 것이다.
- 부하감축에 대한 DRA의 전략적 입찰량인 115.5를 적용하면 반응 수요함수의 절편은 화살표 A와 같이 감소하여 165.3에 이르고 반응수요함수는 p2′로 표시된다.
- 수요함수의 변화에 따라 시장가격은 화살표 B와 같이 하락하고 부하전력도 변하게 된다.
- DR 부하인 d2는 화살표 C와 같이 23.2만큼 감축하는 반면 비반응 부하인 d1은 4.6만큼 증가한 것이다.
- 피크부하의 삭감을 목표로 부하감축을 유도한 것인데 DRA의 관리대상이 아닌 부하에서 반대의 현상이 발생한 것이라 부정적인 의미로 볼 수 있다.
3-1. 풍선효과 - 비반응 부하전력의 변화와 균형상태
- mβ는 여러함수들의 조합으로 이루어지고 β1 보다 작기 때문에 위의 근사식이 성립
- 마지막 항은 비반응 수요함수의 가격탄력성을 나타내므로 풍선효과는 비반응 수요함수의 가격탄력성이 높을수록 심하게 나타남
DRA는 DR 참여자에게 효과를 집중시키기 위해 탄력성이 높은 부하를 우선적으로 DR에 편입시킬 필요가 있음
4. DRA와 발전사간의 경쟁 해석
5. 결론
본 연구는 수요관리사업자의 역할과 기능에 주목하고 특히 인센티브를 통해 수요반응 부하의 가격 탄력성에 영향을 주고 전력시장의 가격형성에 변수로 작용하는 현상을 모형화하여 미시적 관점에서 수요관리사업자의 전략적 선택을 연구
- 수요관리사업자의 부하감축에 대한 입찰량을 전략변수로 Cournot 모형의 내쉬균형을 구해서 몇 가지 형태의 경쟁결과를 분석
- 수요반응에 참여하지 않는 부하전력과 수요반응 부하전력이 공존하는 경우에 균형상태에서 수요반응 부하는 감축을 하는 반면 비반응 부하는 오히려 증가하는 현상을 보임(풍선효과)
- 피크 부하를 삭감하기위해 수요반응을 시행하는 것이므로 풍선효과는 부정적인 의미라고 볼 수 있으며, DR 제도를 확립하고 확산하는 과정에서 검토해야할 과제
- 수요반응자원이 전력시장에서 발전력 자원과 동등하게 경쟁하는 형태 분석
- 발전사와 수요관리 사업자 모두 Cournot 과점 경쟁하는 모형에 대해서 내쉬균형을 구한 결과, 감축량이 오히려 증가
- 수요반응 자원이 발전력 자원과 전력시장에서 경쟁을 하더라도 뒤처지지 않고 경쟁력이 있음을 시사
