Βελτιστοποίηση αγορών ενέργειας με ισχυρή διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας

Abstract

Τhis thesis investigates the strategic reaction of a power producer to exercise market power by means of capacity withholding and transmission-related strategies to offset expected profit losses. Initially, considering a producer with conventional generation portfolio, we develop a stochastic bi-level model to derive optimal offer strategies for the aforementioned producer in a jointly cleared energy and reserve pool-based market settled through an hourly auction process. The upper level of the model represents the maximization of the strategic producer's expected profits while the lower level represents the market clearing mechanism minimizing the security-constrained expected cost of the system conducted by the independent system operator. The mechanism is modeled though a two-stage stochastic programming where the first stage clears the day-ahead market, and the second stage presents the system operation in real time though a set of plausible wind power production scenarios. Then, we extend the proposed bi-level model for an incumbent power producer who possesses a conventional and wind generation portfolio. Both bi-level models are recast into mathematical programming with equilibrium constraints (MPEC) models which are then reformulated into equivalent mixed integer linear programming (MILP) models solvable by commercial solvers like CPLEX/GAMS in global optimality. These transformations occur using the Karush-Kuhn-Tucker (KKT) optimality conditions, the strong duality theory and disjunctive constraints. The proposed algorithms: 1) provide optimal offering (energy/price) strategies for a power producer participating in a jointly cleared energy and balancing pool market where other conventional and wind power producers are concerned as competitors. 2) derive robust DA and balancing market prices which are created endogenously as dual variables of the energy balance constrains. 3)identify producer's arbitrage opportunities between DA and RT markets. 4) offer a novel framework that determines the impact of the strategic producer's behavior on the local marginal prices (LMPs) under stochastic production. 5) provide a systematic analysis of behavior adjustments of the aforementioned producer depending on wind production uncertainty, network congestions, and different levels of wind power penetration. Finally, we investigate the interaction between strategic power producers participating in the pool market. Thus, based on the extended bi-level model of each producer, we propose a new MPEC model with primal-dual formulation. The joint solution of all producers' MPEC models construct an equilibrium programming with equilibrium constraints (EPEC) model. This is then, lying on different objective functions, linearized into an MILP, and solved using a single-iteration diagonalization process. The proposed algorithm addresses several network cases and provides a range of meaningful market equilibria in an ex-post analysis of the received MILP results taking into consideration wind production uncertainty and transmission lines congestions.

Η παρούσα εργασία μελετά τη στρατηγική συμπεριφορά μιας εταιρίας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με δεσπόζουσα θέση στην αγορά. Η εταιρία εξασκεί την θέση ισχύος της μέσω στρατηγικών συγκράτησης παραγωγής και αύξησης τιμών προσφορών καθώς και με στρατηγικές που σχετίζονται με τη μεταφορά ενέργειας σκοπό την αποφυγή απώλειας κέρδους. Έτσι με βάση τις υποθέσεις του οικονομικού μοντέλου του Stackelberg, αναπτύσσουμε αρχικά ένα στοχαστικό διεπίπεδο μοντέλο. Το άνω επίπεδο του μοντέλου μεγιστοποιεί τα προσδοκώμενα κέρδη της εταιρίας ενώ το κάτω επίπεδο του μοντέλου ελαχιστοποιεί το κόστος του συστήματος. Η εκκαθάριση των αγορών γίνεται μέσω στοχαστικού προγραμματισμού δύο σταδίων. Το πρώτο στάδιο εκκαθαρίζει την προ ημερήσια αγορά καθορίζοντας την προγραμματισμένη παραγωγή θερμικών και ΑΠΕ καθώς και την τιμή της. Το δεύτερο στάδιο εκκαθαρίζει την αγορά εξισορρόπησης λαμβάνοντας υπόψιν την αβεβαιότητα της αιολικής παραγωγής μέσω πιθανών σεναρίων παραγωγής και καθορίζει εφεδρείες για την ισορροπία του συστήματος και προσδοκώμενες τιμές εκκαθάρισης της. Κατόπιν, το διεπίπεδο μοντέλο επεκτείνεται για μια εταιρία με δεσπόζουσα θέση στην αγορά που διαχειρίζεται θερμικό και αιολικό ενεργειακό χαρτοφυλάκιο. Και τα δύο μοντέλα μετασχηματίζονται σε μοντέλα μαθηματικού προγραμματισμού με περιορισμούς ισορροπίας (MPEC) αντικαθιστώντας το κάτω μέρος των διεπίπεδων μοντέλων με τη χρήση των KKT συνθηκών βελτιστοποίησης. Κατόπιν διατυπώνουμε τις KKT συνθήκες συμπληρωματικότητας με τη χρήση διαζευκτικών περιορισμών ανασχεδιάζοντας τα MPEC μοντέλα σε μοντέλα μεικτού ακέραιου γραμμικού προγραμματισμού. Η επίλυση των μοντέλων μας δίνει τη δυνατότητα να: 1) προσδιορίσουμε τις στρατηγικές προσφορών ενός παραγωγού ηλεκτρικής ενέργειας που συμμετέχει μαζί με άλλους συμβατικούς και αιολικής ενέργειας παραγωγούς σε ένα χρηματιστήριο ενέργειας. 2) λάβουμε οριακές τιμές συστήματος για την προ ημερήσια αγορά και την αγορά εξισορρόπησης σαν δυικές μεταβλητές των περιορισμών ισοζυγίου ισχύος. 3) εξετάσουμε τη δυνατότητα arbitrage μεταξύ προ-ημερήσιας και ημερήσιας αγοράς με βάση τον πιο κερδοφόρο συνδυασμό ζεύγους προσφορών ποσότητας και τιμής. 4) καθορίσουμε την επίδραση των στρατηγικών προσφορών σε συνθήκες αβεβαιότητας οριακών τιμών ζώνης και να εκτιμήσουμε τις οικονομικές επιπτώσεις στους συμμετέχοντες. Στη συνέχεια για να μελετήσουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ παραγωγών με στρατηγική συμπεριφορά χρησιμοποιούμε το εκτεταμένο διεπίπεδο μοντέλο και το μετασχηματίζουμε σε MPEC μοντέλο με τη μορφή κύριου-δυικού σχηματισμού για κάθε παραγωγό. Η κοινή επίλυση όλων των MPEC συνιστά ένα μοντέλο προγραμματισμού ισορροπίας με περιορισμούς ισορροπίας (EPEC). Στη συνέχεια και εφαρμόζοντας διαφορετικές αντικειμενικές συναρτήσεις για να προσδιορίσουμε το εύρος των πιθανών ισορροπιών της αγοράς γραμμικοποιούμε το μοντέλο και επαληθεύουμε τις έγκυρες λύσεις του με τη χρήση μεθόδου σύγκλισης μιας επανάληψης. Το μοντέλο επιλύει διάφορα συστήματα εξετάζοντας: 1) τις Nash ισορροπίες υπό έντονο, χαλαρό και μονοπωλιακό ανταγωνισμό. 2) τον καθορισμό τιμών εκκαθάρισης της αγοράς λαμβάνοντας υπόψιν την αβεβαιότητα της αιολικής παραγωγής. 3) την επίδραση α) της αυξανόμενης διείσδυσης της αιολικής ενέργειας, β) της μεταβλητότητα της καθώς και γ) της συμφόρηση των γραμμών μεταφοράς ενέργειας στα προσδοκώμενα κέρδη των παραγωγών.