Teoría de juegos de coalición para mejorar el comercio P2P en comunidades energéticas

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Un grupo internacional de científicos dirigido por la Universidad Normal de Sichuan (China) ha desarrollado un novedoso sistema de juego coalicional que maximiza el beneficio colectivo de los prosumidores en un mercado de comercio de energía entre iguales (P2P) a escala comunitaria.

Un juego coalicional forma parte de la teoría de juegos, en la que los jugadores forman coaliciones para lograr objetivos comunes y mayores beneficios.

“Los métodos presentados en algunas publicaciones se basan en la premisa de que la energía renovable y la carga pueden predecirse con exactitud, y esto no refleja la naturaleza estocástica de los sistemas de prosumidores del mundo real”, afirman los investigadores. “Es necesario e importante desarrollar nuevos sistemas de juego colacional y algoritmos que puedan aplicarse al entorno estocástico del comercio energético P2P con la participación de distintos tipos de prosumidores”.

Para resolver este problema, los académicos han introducido reglas de coalición en el juego. Una garantiza que los prosumidores tengan excedentes de energía para vender, lo que significa que su consumo energético no debe ser superior a su capacidad de producción. La segunda regla garantiza que los prosumidores asuman que su producción de energía es la mejor posible, de modo que no se produzcan desabastecimientos ni recortes. Para hacer cumplir estas reglas, los prosumidores participantes pueden ser responsables de sanciones económicas y de la pérdida de los reembolsos colectivos por pérdidas.

El sistema de juego tiene en cuenta tres tipos de prosumidores: los que sólo disponen de una fuente de energía renovable, como un sistema fotovoltaico o un aerogenerador; los participantes con sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS); y los que dependen tanto de la energía fotovoltaica como de las baterías. El juego incluye además el tamaño del sistema y la carga de los prosumidores, entre otros parámetros.

“En la parte metodológica del trabajo, se ha proporcionado un estricto análisis teórico para demostrar la eficacia del sistema propuesto en términos de: (1) garantizar la equidad económica entre los miembros de la coalición; y (2) garantizar que cada miembro de la coalición pueda ser más rentable en el comercio de energía P2P en comparación con la situación en la que no se une a la coalición”, explican los investigadores.

Tras proporcionar una serie de ecuaciones para demostrar los teoremas mencionados, los investigadores avanzaron para verificarlos. Para ello, realizaron simulaciones numéricas en MATLAB. Los datos de radiación solar y carga eléctrica se tomaron de registros reales de Australia, y el comercio de energía P2P se realizó en un intervalo de 1 hora.

“Las superficies de los paneles solares en los emplazamientos de los prosumidores se fijaron aleatoriamente entre 10 m2 y 20 m2, y las eficiencias de conversión de energía de los paneles solares se fijaron aleatoriamente entre el 30 % y el 40 %”, explicaron los investigadores. “Las capacidades energéticas de los BESS de los prosumidores se fijan aleatoriamente en el rango de 4 kWh – 5 kWh y los niveles iniciales de estado de carga de los BESS se fijan en el rango de 30% – 50%”.

Para evaluar el impacto de la incertidumbre en la coalición de prosumidores, el grupo de investigación creó una simulación de 100 prosumidores y comparó su comportamiento en un sistema con y sin las reglas de coalición establecidas para reducir los riesgos. Mientras que en el caso con reglas, los ingresos de la coalición aumentan a medida que se incorporan más miembros, en el caso sin reglas a veces disminuyen.

El grupo consideró coaliciones con 10 y 50 prosumidores y la simulación demostró que sus ganancias colectivas aumentaban un 33,55 % y un 35,67 %, respectivamente, en comparación con un sistema sin cooperación. A continuación, los investigadores estudiaron el impacto de cuatro parámetros en el beneficio colectivo: la cantidad de energía almacenada en los BESS, la carga de potencia de los prosumidores, el tamaño de los paneles solares y el error relativo entre los valores de potencia neta previstos y reales.

“Las cifras muestran claramente que los beneficios colectivos del sistema de comercio de energía P2P aumentan con el incremento del número de prosumidores, la cantidad de energía almacenada en los BESS y el tamaño del panel solar. Los beneficios colectivos disminuyen con el aumento de la carga energética de los prosumidores”, subrayan.

“Cuando la potencia neta prevista del prosumidor es inferior a la real, la disminución de la relación entre la energía almacenada y la energía producida significa que los prosumidores venden una pequeña cantidad de energía a los consumidores, lo que hace que disminuya la retribución de los prosumidores”, añaden. “Cuando la potencia neta prevista por el prosumidor es mayor que la potencia neta real, el aumento de la relación entre la energía almacenada y la energía producida dará lugar a un mayor coste por defecto; como resultado, la retribución de los prosumidores disminuirá”.

El juego de coalición y su análisis se presentaron en “Uncertainty-aware prosumer coalitional game for peer-to-peer energy trading in community microgrids” (Juego de coalición de prosumidores conscientes de la incertidumbre para el comercio de energía entre pares en microrredes comunitarias), publicado en International Journal of Electrical Power & Energy Systems. La investigación la llevaron a cabo científicos de la Universidad Normal de Sichuan, la Universidad de Chongqing, el Instituto de Industria y Tecnología de la Información de Zhejiang y la Universidad australiana de Sydney.

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