A Multi-period Stackelberg Game for Renewable Power Capacity Expansion in Renewable Portfolio Standard

Abstract

Under renewable portfolio standard (RPS), the government provides a long-term plan of quota obligation of renewable energy generation imposed on conventional large-scale power generation firms to the market. In this thesis, we propose a multi-period Stackelberg game to model the competition between the conventional generation firm and renewable energy generation firm, and analyze the effect of the quota obligation and other key variables on the proliferation of renewable energy. We proved that the proposed model has a unique Nash equilibrium, and based on this, numerical experiments were conducted to analyze RPS system. We found that the optimal solutions of multi-period model and single-period model are different, and the reason is that determining the optimal renewable energy capacity expansion at each period is inefficient rather than establishing a multi-period optimal strategy at once. We also found that there is an optimal REC weight that maximizes the proliferation of renewable energy. Finally, we found that the rate of increase in demand in the power market and the rate of increase in quota obligation are synergistic with each other from the perspective of renewable energy diffusion.

재생에너지 공급의무화제도(RPS) 하에서 정부는 전력시장에 화석연료를 사용하는 대규모 발전사업자에게 부과하는 신재생에너지 발전 의무량에 대한 장기적인 계획을 제시한다. 본 논문은 기존 발전시장 참여자인 화석연료 발전사업자와 신규 참여자인 신재생에너지 발전사업자의 경쟁관계를 다기간 스탁켈베르그 게임(multi-period Stackelberg game)을 통해 모형화하고, 신재생에너지 발전 의무량 등이 신재생에너지 확산에 미치는 영향에 대해 확인한다. 본 연구에서 제시한 모형에 유일한 내쉬 균형이 존재한다는 것을 증명하였으며, 이를 바탕으로 수치예제를 활용하여 재생에너지 공급의무화제도를 분석하였다. 또한 단기간 스탁켈베르그 게임의 해와 다기간 모형의 해가 다르다는 것을 확인하였고, 그 이유는 매 시점에 최적의 재생에너지발전 확장용량을 결정하는 것이 다기간의 최적 전략을 한번에 세우는 것 보다 비효율적이기 때문이라는 것을 확인하였다. 그리고 재생에너지 확산을 최대화하는 최적의 REC 가중치가 존재한다는 것을 확인하였다. 마지막으로, 본 연구에서는 전력 시장의 수요 증가와 재생에너지 공급의무량의 증가가 시너지효과를 내어 재생에너지 확산에 기여할 수 있다는 것을 확인하였다.