Local flexibility markets and market-based TSO-DSO coordination

Abstract

This doctoral thesis proposes realistic, market-based approaches to address the increasing need for operational redispatch and grid flexibility arising from the rapid proliferation of Distributed Energy Resources (DERs). At the core of the thesis are Local Flexibility Markets (LFMs), for which novel formulations are developed for both auction-based and continuous trading environments. In auction-based settings, a Successive Linear Programming (SLP) clearing engine is introduced to robustly solve large-scale AC Optimal Power Flow (AC OPF) problems in distribution networks, explicitly accounting for reactive power flows and voltage magnitudes as well as active and reactive power exchanges. In continuous trading settings, an AC Power Transfer Distribution Factor (AC-PTDF) framework is derived from the inverted Jacobian matrix, representing the first formulation of its kind to support reactive power flows and voltage constraints in matching engines. These LFMs constitute the foundation for advanced Transmission–Distribution System Operator (TSO–DSO) coordination frameworks. For auction-based trading, a two-stage Fragmented Market model is proposed, in which DSOs first clear LFMs to alleviate local constraints using the SLP engine under an interface price-cap mechanism that prioritizes local assets while preserving the option of indirect transmission-level flexibility activation as a last resort. The TSO market subsequently rectifies transmission contingencies and imbalances through a DC OPF formulation. Continuous coordinated trading is implemented through an Integrated Flexibility Market model, in which system operators and market participants interact as peers within a shared order book. This framework combines transmission-level PTDFs with the proposed distribution-level AC-PTDF sensitivities, enabling decentralized validation of network integrity. Finally, a Genetic Algorithm for Feasible Operating Region mapping (GA-FOR) is developed to characterize the feasible operating regions of distribution networks, that can support future centralized TSO–DSO market designs or define interface flow limits in Shared Balancing Responsibility models. All models are rigorously validated using both synthetic and real-world test systems.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει προσεγγίσεις βασισμένες σε ρεαλιστικές καινοτόμες αγορές για την αντιμετώπιση της αυξανόμενης ανάγκης για λειτουργική ανακατανομή και ευελιξία του δικτύου, η οποία προκύπτει από τη ραγδαία εξάπλωση της Διανεμημένης Παραγωγής. Στον πυρήνα της διατριβής βρίσκονται οι Τοπικές Αγορές Ευελιξίας (ΤΑΕ), για τις οποίες αναπτύσσονται καινοτόμες μαθηματικές διατυπώσεις τόσο για περιβάλλοντα συναλλαγών που βασίζονται σε δημοπρασίες όσο και για περιβάλλοντα συνεχόμενων συναλλαγών. Στα περιβάλλοντα δημοπρασιών, προτείνεται ένας αλγόριθμος εκκαθάρισης Διαδοχικού Γραμμικού Προγραμματισμού (ΔΓΠ) για την αξιόπιστη, ακριβή και ταχεία επίλυση προβλημάτων Βέλτιστης Ροής Φορτίου (ΒΡΦ) μεγάλης κλίμακας σε Δίκτυα Διανομής (ΔΔ), λαμβάνοντας υπόψη ρητά τις ροές άεργου ισχύος και τα μέτρα των τάσεων, καθώς και τις συναλλαγές ενεργού και άεργου ισχύος. Για τις ΤΑΕ σε περιβάλλοντα συνεχών συναλλαγών, προτείνεται μια καινοτόμα μεθοδολογία βασισμένη σε Συντελεστές Κατανομής Μεταφοράς Ισχύος Εναλλασσόμενου Ρεύματος, που προκύπτει από τον ανεστραμμένο Ιακωβιανό πίνακα, και αποτελεί την πρώτη μαθηματική διατύπωση του είδους της που λαμβάνει υπόψιν ροές άεργου ισχύος και μέτρα των τάσεων στις μηχανές ταύτισης εντολών. Οι παραπάνω ΤΑΕ αποτελούν το θεμέλιο για την ανάπτυξη προηγμένων αγορών για τον συντονισμό Διαχειριστών Συστημάτων Μεταφοράς και Διανομής (ΔΣΜ και ΔΣΔ, αντίστοιχα). Για τον συντονισμό των Διαχειριστών μέσω αγορών οργανωμένες ως δημοπρασίες, προτείνεται ένα μοντέλο Κατακερματισμένης Αγοράς δύο σταδίων, στο οποίο οι ΔΣΔ εκκαθαρίζουν πρώτοι ΤΑΕ με σκοπό την άρση τοπικών περιορισμών, χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο εκκαθάρισης ΔΓΠ. Οι αγορές του πρώτου σταδίου έχουν την δυνατότητα να χρησιμοποιήσουν έμμεσα ευελιξία από το Δίκτυο Μεταφοράς, μέσω του σημείου διεπαφής των δικτύων. Η τιμολόγηση της ευελιξίας στο σημείο διεπαφής γίνεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να προτεραιοποιείται η ενεργοποίηση οντοτήτων εντός του ΔΔ. Στη συνέχεια, ο ΔΣΜ επιλύει το δεύτερο στάδιο της αγοράς, με σκοπό την εξισορρόπηση του συστήματος και την άρση περιορισμός στο σύστημα μεταφοράς. Ο συντονισμός των Διαχειριστών σε περιβάλλον συνεχών συναλλαγών πραγματοποιείται μέσο ενός μοντέλου Ενοποιημένης Αγοράς Ευελιξίας, κατά την οποία Διαχειριστές και συμμετέχοντες αλληλοεπιδρούν επί ίσοις όροις εντός κοινού βιβλίου προσφορών για την απόκτηση ευελιξίας. Σε επίπεδο διανομής ακολουθείται το μοντέλο της ΤΑΕ συνεχούς συναλλαγής, ενώ σε επίπεδο συστήματος μεταφοράς, χρησιμοποιείται η παραδοχή της Ροής Φορτίου Συνεχούς Ρεύματος για την αποτύπωση των περιορισμών του δικτύου, με τις μηχανές ταύτισης των επιμέρους δικτύων να λειτουργούν αποκεντρωμένα. Τέλος, αναπτύσσεται μεθοδολογία υπολογισμού της Περιοχής Εφικτής Λειτουργίας των ΔΔ βασισμένη στον Γενετικό Αλγόριθμο, και εξετάζεται η εφαρμογή του σε υπάρχοντα ή μελλοντικά μοντέλα συντονισμού των Διαχειριστών. Οι επιδόσεις των μοντέλων εξετάζονται μέσω της εφαρμογής τους σε δοκιμαστικά δίκτυα αποτελούμενα από συνθετικά ή πραγματικά δεδομένα.