電動車の共有充電とカーボンマーケットを最適化
新たな研究が、電動車（EV）の共有充電スケジューリングにおける複雑なゲーム関係に注目し、電力・カーボン連携メカニズムに基づく2段階ゲーム協調スケジューリング戦略を提案している。この革新的なアプローチは、陳傑、張暁東、李隆意、張鴻偉、潘瑞、蘇永新の各氏が、湘潭大学自動化・電子情報学院および国家電網岳陽電力会社の研究チームによって開発された。この研究は、電力需要応答メカニズム下でのEV共有充電スケジューリングの複雑なゲーム関係を解決することを目的としており、電力・カーボン連携市場での取引を促進し、各主体の利益最大化を確保しながら、EV充電負荷と共有充電施設の合理的なマッチングを実現する。この研究は『電網技術』誌に掲載され、充電コストの削減とEV共有充電期間中の炭素排出量の最適化に貢献し、「カーボンピーク・カーボンニュートラル」政策の実施に大きな意義を持つ。
本研究の主な目的は、電力・カーボン連携市場の取引利益を重視し、完全情報動的ゲームに基づく第1段階の電力・カーボン連携入札戦略を構築することである。これにより、EV充電需要を合理的に計画し、最大利益を得ることで、運営事業者と集約事業者の入札メカニズムへの参加を促進する。さらに、電力・カーボン連携市場の配分指向に基づき、第2段階の逐次ゲームに基づく電力・カーボン連携分配戦略を構築する。これにより、EV-共有充電施設の合理的な分配を確保し、運営事業者と集約事業者が第1段階の電力・カーボン需要、EVユーザーの充電コスト最小化という最適化目標を達成し、EVユーザーの充電を誘導する。
この2段階戦略は、交互方向乗数法（ADMM）と最適応答アルゴリズムを用いて最適化され、多主体の共有充電最適均衡を確保する。具体的には、第1段階では、運営事業者と集約事業者が電力・カーボン連携市場での取引利益を最大化するための完全情報動的ゲームを構築する。このゲームでは、各主体の運営状況、カーボン排出権状況、購電コストなどの要因を考慮し、電力・カーボン連携市場での取引利益を最適化目標とする。この段階では、動的入札とカーボン排出権の調整により、理想的な状況下での各主体のEV充電施設への最適接続数、最適共有充電価格、最適カーボン排出量を決定し、その最適均衡解を第2段階に伝達する。
第2段階では、EVユーザー、運営事業者、集約事業者がゲームの主体となり、電力・カーボン連携分配市場がEVユーザーが報告する自身の電力量、充電時間、充電コストなどの要因および第1段階の共有充電最適均衡解を収集し、EV-充電施設コスト行列を形成する。これにより、決定偏差を計算する。運営事業者と集約事業者は決定偏差最小化を最適化目標とし、EVユーザーは充電コスト最小化を最適化目標とする。逐次ゲームに基づく電力・カーボン連携市場分配戦略を構築する。電力・カーボン連携分配市場は、決定偏差とEVユーザーのコストに基づき、運営事業者と集約事業者がEVユーザーとゲームを行い、マッチング戦略を反復的に更新し、最終的に電力・カーボン連携取引メカニズム下での最適EV共有充電スケジューリング案を決定する。この案は、運営事業者、集約事業者、EVユーザーの三方の利益を効果的に均衡させ、多方面での相互利益を実現する。
この研究の重要な貢献は、電力・カーボン連携市場の設計に多主体の複雑なゲーム関係を統合し、各主体の各レベルの利益要求を実現することである。具体的には、協働競争の動的連携と共有資源の合理的分配という2つの課題に焦点を当てている。まず、各主体が市場観測に基づいて動的価格設定を行い、決定を更新するため、電力・カーボン連携市場環境は安定性を失い、協調連携スケジューリングが継続困難になる。次に、EVユーザーの分布が極めてランダムであるため、動的価格設定後の実際のEV充電資源の分配が不均衡になり、電力・カーボン連携市場が共有資源を再調整・マッチングする必要がある。
本研究では、EVユーザー、運営事業者、集約事業者の三者利益を考慮し、EV共有充電シナリオにおける電力・カーボン連携市場の2段階ゲーム戦略を提案している。この戦略は、第1段階で完全情報動的ゲームを用いて電力・カーボン連携市場取引入札メカニズムを構築し、第2段階で逐次ゲームを用いて電力・カーボン連携市場分配メカニズムを構築する。この2段階ゲーム戦略は、部分ゲーム完全均衡理論を用いて均衡解の存在を証明している。電力・カーボン連携市場の複雑な連携シナリオを考慮し、交互方向乗数法（ADMM）と最適応答アルゴリズムを用いて2段階ゲームを段階的に求解する。
算例分析の結果、この戦略は各主体が電力・カーボン連携市場取引に参加することを促進し、自身の利益最大化を確保しつつ、EV充電負荷と共有充電施設の合理的なマッチングを実現し、充電コストを削減し、EV共有充電期間中の炭素排出量を最適化することが示された。特に、第1段階の完全情報動的ゲームに基づく電力・カーボン連携入札戦略は、電力・カーボン連携市場の利益を効果的に連携し、入札結果に基づいて市場分配指向を導くことができる。これにより、第2段階の逐次ゲーム分配戦略は、EV共有充電需要の合理的な分配を実現し、充電施設がEV充電需要を完全にカバーできない問題に対して具体的な応用可能な解決策を提供する。
さらに、従来の単一の電力取引市場と比較して、本研究では各利益関係者がEVユーザーのカーボン排出権を導入し、電力・カーボン連携取引市場を構築している。これにより、各主体が最大利益を得る一方で、カーボン取引市場におけるEVのカーボン排出削減要求を満たすことができる。電力・カーボン連携市場における多主体の決定間の複雑なゲーム関係に対して、本研究はゲーム均衡解の存在を証明し、ADMMと最適応答アルゴリズムを組み合わせて求解することで、電力・カーボン連携市場における動的入札および逐次分配の2段階ゲーム最適化問題に対する新たな求解アプローチを提供している。
この研究は、電力・カーボン連携市場におけるEV共有充電の取引と分配問題に焦点を当て、EV共有充電2段階ゲーム協調スケジューリング戦略を提案している。この戦略は、電力・カーボン連携市場の利益を連携し、市場分配指向を導くことで、EV共有充電需要の合理的な分配を実現し、充電施設がEV充電需要を完全にカバーできない問題に対して具体的な応用可能な解決策を提供する。また、従来の単一の電力取引市場と比較して、各利益関係者がEVユーザーのカーボン排出権を導入し、電力・カーボン連携取引市場を構築することで、各主体が最大利益を得る一方で、カーボン取引市場におけるEVのカーボン排出削減要求を満たすことができる。電力・カーボン連携市場における多主体の決定間の複雑なゲーム関係に対して、ゲーム均衡解の存在を証明し、ADMMと最適応答アルゴリズムを組み合わせて求解することで、電力・カーボン連携市場における動的入札および逐次分配の2段階ゲーム最適化問題に対する新たな求解アプローチを提供している。
陳傑、張暁東、李隆意、張鴻偉、潘瑞、蘇永新、湘潭大学自動化・電子情報学院、国家電網岳陽電力会社、電網技術、DOI: 10.13335/j.1000-3673.pst.2023.1855