Efficient Trading in the Short-term Electricity Markets for Integration of Renewable Energy Sources

QC 20221223

Abstract

I denna avhandling undersöks vilken roll som olika aspekter i utformningen av korttidselmarknader har när det kommer till att möjliggöra bättre koordination av resurser i elkraftsystem. Arbetet belyser även hur förbättrad integration av korttidsmarknader över nationsgränser ökar marknadslikviditeten, konkurrensen, det sociala välståndet samt flexibiliteten i systemet. Dessa aspekter är grundläggande för integrationen av förnybara energikällor. Utöver frågor relaterade till utformning av policys så fokuserar avhandlingen även på framtagandet av ett flertal matematiska modeller som ska stödja algoritmiska handelsbeslut på korttidsmarknader med ett flertal olika stokasticiteter. De modeller som föreslås i denna avhandling möjliggör förbättrade handelsbeslut närmre realtid för både produktions- och konsumtionsportföljer.  Arbetet som presenteras i denna avhandling omfattar korttidselmarknaderna med ett huvudsakligt fokus på intradagmarknaden. De vetenskapliga bidragen är av två inriktningar. I den ena inriktningen tas en deltagare på intradagmarknadens perspektiv. I denna del av arbetet var syftet att utveckla optimeringsmodeller för att stödja algoritmiskt beslutsfattande för produktions- och konsumtionsportfolios. I detta syfte utvecklades stokastiska flerstegsproblem för att modellera den kontinuerliga intradaghandeln för ett pristagande virtuellt kraftverk med tillgångar i form av vattenkraftverk, vindkraftverk och värmekraftverk. Budklareringen på den kontinuerliga intradagmarknaden behandlas genom de två presenterade modellerna ‘Direkt Budsklarering’ och ‘Partiell Budsklarering’. Ytterligare förbättringar av flerstegsmodellen har uppnåtts genom att föreslå en modell i två nivåer för att hantera driftplaneringsproblemet för värmekraftverk på den kontinuerliga intradagmarknaden. Modellens undre nivå svarar för den kontinuerliga marknadsklareringen och tar hänsyn till minsta möjliga produktionsnivå för värmekraftverket. I denna modell kan det virtuella kraftverket informera intradagmarknaden om sina egna priser. Det motsvarande stokastiska problemet med heltalsvariabler hanteras genom en stokastisk dual dynamisk heltalsprogrammeringsalgoritm. Avseende konsumtionsportföljer så modelleras en elbilsaggregators deltagande på intradag- och balanseringsmarknaden som ett stokastiskt flerstegsproblem. 

Intradagmarknader tillåter elbilsaggregatorn att handla baserat på uppdaterade konsumtionsprognoser samt prisutvecklingen på marknaden. Elbilsaggregatorns reaktion på marknadens priser bidrar till att hantera de obalanser som intermittenta förnybara energikällor kan skapa. Det algoritmiska bidraget från detta arbete inkluderar delandet av en randomiserad progressiv hedging vilken bevisades vara snabbare än konventionella progressiva hedgingalgoritmer. Vidare förbättrades prestandan genom en parallell randomiserad progressiva hedgingalgoritmer, och en asynkron version av den randomiserade progressiva hedgingalgoritmer nyttjas för att snabba upp multiskedesmodellen för en elbilsaggregators handel.

Den andra inriktningen på arbetet är från en beslutsfattares perspektiv, där en öppet tillgänglig agentbaserad modell har föreslagit för att modellera den gränsöverskridande kontinuerliga intradagmarknaden. I denna modell simuleras handelsbeteendet på en kontinuerlig gränsöverskridande intradagmarknaden för olika agenter, inklusive producenter av förnybar kraft och värmekraft, energilager och konsumenter. Den kontinuerliga marknadsklareringen genomförs av en marknadsoperatörsagent. Två olika metoder för beräkning av överföringskapacitet finns tillgängliga, dels ‘Tillgänglig Överföri-\\ngskapacitetsmetoden’ och dels ‘Flödesbaserad  Marknadskopplingsmetoden’. Agenterna har möjlighet att handla med ett flertal leveransprodukter samtidigt på den kontinuerliga intradagmarknaden. Vidare kan agenterna även välja mellan två olika handelsstrategier, antingen att använda en naiv och modifierad adapativ handelsagressivitet eller att bestämma de pris-volymkurvor som de skickar in till den kontinuerliga intradagmarknaden. För att simulera ett realistiskt handelsbeteende för agenter med energilager och termisk kraft har en användardefinierad parameter, switch, tagits fram. Denna parameter möjliggör att agenterna kan välja den tidpunkt där de går från inkomstökande handel till att ta hänsyn till sina rampbegränsningar på den kontinuerliga intradagmarknaden. Den påverkan förbättrad prognostisering av obalanspriser har på bestämmandet av budpriser och därmed transaktionspriset på den kontinuerliga intradagmarknaden diskuteras också.

Slutligen föreslås en framåtblickande mekanism som systemoperatörer kan nyttja för att beordra generatorer att aktivera sina upp- och nedregleringsbud baserat på lägsta förväntade kostnad. Mekanismen tar hänsyn till både generatorers produktionskostnader och potentiella avvikelser från planerad produktion. Metoden har applicerats matematiskt för att jämföra tre olika modeller för prissättning av obalanser.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-322634