Ανάλυση περιφερειακών αγορών εξισορρόπησης ισχύος

Abstract

This dissertation develops innovative models for the clearing of balancing electricity markets and provides advanced methods for short-term scheduling and medium-term planning of the power system at national and regional level. The goal is triple: (1) to promote the integration of large-scale Renewable Energy Sources (RES), (2) to allow the coupling of balancing electricity markets in Europe, (3) to analyze the reliability of the power system in the medium term. The research carried out is divided into two stages: (a) short-term analysis of central dispatch (CD) systems (e.g. Greek system), investigation of their flexible operation and integration into the coupled balancing markets of Europe, (b) medium-term analysis of regional balancing markets, including advanced methods for studying the adequacy and flexibility of the pan-European power system. In the context of the short-term analysis, an innovative deterministic model is initially developed for the optimal unit commitment and economic dispatch of the generating units during the Integrated Scheduling Process (ISP), which maintains the necessary technical constraints of CD systems but also respects the market schedules arising from previous market processes (futures or spot markets). The model is then restated (a) as a "multiple time step" deterministic model, which allows the provision of a new type of "flexible ramping” reserve on an intra-hourly level, along with a probabilistic quantification of the system’s flexibility requirements, and (b) as an advanced model of stochastic optimization, which endogenously captures the required flexibility while adopting the concept of "multiple time step". In a following step, the research focuses on the Real Time Balancing Market (RTBM). In order to enable the coupling of the RTBM of CD systems with the regional RTBM in Europe (self-dispatch systems), a sequential algorithm is proposed which allows the conversion of balancing energy offers before regional market clearing, thereby achieving indirectly the satisfaction of the constraints of the CD system. In the context of the medium-term analysis, a broader power system adequacy study is conducted for the European continent. Given the increasing challenges due to the uncertainty and volatility of RES production on daily and intraday level, the dissertation addresses this reliability issue more broadly as "flexibility adequacy", by developing an advanced model which simulates the hourly operation of the European power system for future years. The model performs rolling clearings of the day-ahead market, the ISP and the RTBM, capturing the full range of uncertainties of the power system and incorporating new sources such as demand response (various mechanisms). The execution of annual Monte Carlo simulations on high-performance computing facilities for the wider region of 21 EU countries leads to the export of indicators that capture the multifaceted aspects of the issue of "flexibility".

Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη καινοτόμων μοντέλων επίλυσης των αγορών εξισορρόπησης ισχύος, καθώς και προχωρημένων μεθόδων βραχυπρόθεσμου προγραμματισμού και μεσοπρόθεσμης ανάλυσης του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ), σε εθνικό και περιφερειακό επίπεδο, με τριπλό στόχο: (1) να ευνοηθεί η ενσωμάτωση ευρείας κλίμακας Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), (2) να επιτραπεί η σύζευξη των αγορών εξισορρόπησης ισχύος στην Ευρώπη, (3) να αναλυθεί η αξιόπιστη λειτουργία του ΣΗΕ σε μεσοπρόθεσμο επίπεδο. Η διεξαχθείσα έρευνα χωρίζεται σε δύο στάδια: (α) το στάδιο της βραχυπρόθεσμης ανάλυσης συστημάτων κεντρικής κατανομής (π.χ. Ελληνικό ΣΗΕ), της διερεύνησης της ευέλικτης λειτουργίας τους και της ενσωμάτωσης αυτών στις συζευγμένες αγορές εξισορρόπησης της Ευρώπης, (β) το στάδιο της μεσοπρόθεσμης ανάλυσης περιφερειακών αγορών εξισορρόπησης ισχύος, η οποία περιλαμβάνει προχωρημένες μεθόδους για τη μελέτη επάρκειας ισχύος και ευελιξίας του πανευρωπαϊκού ΣΗΕ. Στα πλαίσια της βραχυπρόθεσμης ανάλυσης αρχικά αναπτύσσεται ένα καινοτόμο αιτιοκρατικό μοντέλο βέλτιστης ένταξης και οικονομικής κατανομής μονάδων παραγωγής ΗΕ για την προ/ενδο-ημερήσια Διαδικασία Ενοποιημένου Προγραμματισμού (ΔΕΠ), το οποίο διατηρεί τους αναγκαίους τεχνικούς περιορισμούς των ΣΗΕ κεντρικής κατανομής αλλά ταυτόχρονα σέβεται τα προγράμματα που προκύπτουν από προηγούμενες διαδικασίες της αγοράς (προθεσμιακή ή τρέχουσα αγορά ΗΕ). Ακολούθως, το μοντέλο επαναδιατυπώνεται (α) ως ένα αιτιοκρατικό μοντέλο «πολλαπλού χρονικού βήματος», το οποίο επιτρέπει την προμήθεια ενός νέου τύπου εφεδρείας «ευέλικτου ρυθμού» σε ενδο-ωριαίο επίπεδο, με παράλληλη πιθανοκρατική ποσοτικοποίηση των απαιτήσεων ευελιξίας του ΣΗΕ, και (β) ως ένα προχωρημένο μοντέλο στοχαστικής βελτιστοποίησης, το οποίο δεσμεύει ενδογενώς την απαιτούμενη ευελιξία, υιοθετώντας ταυτόχρονα την έννοια του «πολλαπλού χρονικού βήματος». Έπειτα, η έρευνα εστιάζει στην Αγορά Εξισορρόπησης Πραγματικού Χρόνου (ΑΕΠΧ). Προκειμένου να καταστεί εφικτή η σύζευξη της ΑΕΠΧ συστημάτων κεντρικής κατανομής με περιφερειακές ΑΕΠΧ στην Ευρώπη (συστήματα αποκεντρωμένης κατανομής) -ένα πρόβλημα που δεν έχει αντιμετωπιστεί μέχρι τώρα από την ερευνητική κοινότητα- προτείνεται αναλυτικός αλγόριθμος επίλυσης διαδοχικών σταδίων ο οποίος παρέχει τη δυνατότητα μετατροπής των προσφορών ενέργειας εξισορρόπησης πριν από την περιφερειακή επίλυση, επιτυγχάνοντας έτσι την έμμεση ικανοποίηση των περιορισμών του ΣΗΕ κεντρικής κατανομής. Στα πλαίσια της μεσοπρόθεσμης ανάλυσης, το ζήτημα της εξισορρόπησης ισχύος μελετάται υπό το πρίσμα της μακροχρόνιας επάρκειας ισχύος του πανευρωπαϊκού ΣΗΕ. Με δεδομένες τις αυξημένες προκλήσεις λόγω της αβεβαιότητας και μεταβλητότητας της παραγωγής ΑΠΕ σε (ενδο)ημερήσιο επίπεδο, η διατριβή αντιμετωπίζει το ζήτημα ευρύτερα ως «επάρκεια ευελιξίας», αναπτύσσοντας ένα προχωρημένο μοντέλο προσομοίωσης της ωριαίας λειτουργίας του ΣΗΕ για μελλοντικά έτη. Το μοντέλο διενεργεί κυλιόμενες εκκαθαρίσεις της προ-ημερήσιας ΔΕΠ, της ενδο-ημερήσιας ΔΕΠ και της ΑΕΠΧ, αποτυπώνοντας όλο το φάσμα των αβεβαιοτήτων του ΣΗΕ και ενσωματώνοντας αναλυτικά νέες πηγές εξισορρόπησης όπως η διαχείριση ζήτησης. Η εκτέλεση ετήσιων Monte Carlo προσομοιώσεων σε συστοιχία υπολογιστών υψηλών επιδόσεων για την ευρύτερη περιφέρεια 21 χωρών του Ευρωπαϊκού ΣΗΕ οδηγεί στην εξαγωγή δεικτών οι οποίοι αποτυπώνουν τις πολύπλευρες πτυχές του ζητήματος της «επάρκειας ευελιξίας».