Till innehåll på sidan

Optimisation and Incentive Mechanisms for Robust Generation Dispatch and Capacity Investment in Electricity Markets

Tid: Må 2023-05-22 kl 14.00

Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm

Språk: Engelska

Respondent: Lamia Varawala , Nätverk och systemteknik

Opponent: Prof. José Manuel Arroyo, University of Castilla-La Mancha, Ciudad Real

Handledare: Prof. György Dán, Nätverk och systemteknik; Assoc. Prof. Mohammad Reza Hesamzadeh, Elkraftteknik

Exportera till kalender

QC 20230502

Abstract

Kraftsystem utgör en storskalig kritisk infrastruktur och därför är det avgörande att deras drift är robust mot avvikelser från normal funktion hos dess oberoende komponenter. Dessutom, på grund av deras stora storlek, kan eventuella ineffektiviteter i utformningen av elmarknaden bli mycket kostsamma och måste därför optimeras.

Den första delen av avhandlingen undersöker hur generatorer måste skickas optimalt samtidigt som robustheten hos kraftsystemet som vi modellerar som LASCOPF-problemet (\emph{look ahead security constrained optimal power flow} på engelska). LASCOPF optimerar generationsutskick givet varje mål, typiskt en minimering av produktionskostnaden, över en planeringshorisont med flera sändningsintervall som är föremål för fysiska begränsningar på kraftsystemet så som generatorrampningsbegränsningar. Dessutom överväger vi $N-1$-kontingenskriteriet som är modellerat som en uppsättning säkerhetsbegränsningar som säkerställer att systemet kan övergå till en genomförbar driftpunkt om ett avbrott i någon av dess komponenter skulle inträffa. Vi observerar att problemstorleken är kvadratisk i antalet intervall i planeringshorisonten och föreslår därför en reducerad LASCOPF-formulering där beroendet är linjärt. Vi utökar dessa resultat till $N-k$-kontingenskriteriet som kräver säkerhet mot flera samtidiga oförutsedda händelser och observerar att problemets storlek beror på antalet permutationer av oförutsedda händelser. För att övervinna detta föreslår vi ett ytterligare minskat problem där beroendet är av antalet permutationer av oförutsedda händelser. Vi modellerar LASCOPF specifikt med användning av DC-strömflöde under oförutsedda händelser i både generatorer och transmissionsledningar, och AC-strömflöde under oförutsedda händelser i generatorer. För dessa bevisar vi att, med undantag för gränsfall, de reducerade formuleringarna är likvärdiga med motsvarande omfattande formuleringar. Numeriska resultat på benchmark och verkliga system visar att de reducerade formuleringarna har en betydande beräkningsmässig fördel jämfört med motsvarande omfattande.

Den andra delen av avhandlingen utforskar hur man kan använda incitamentmekanismer i elmarknadsdesign för att övervinna ineffektivitet. Det första problemet vi tar upp är att elproduktion orsakar miljöföroreningar med tillhörande skadekostnader som vi modellerar som en negativ externitet. Per definition ingår inte negativa externa effekter i den konkurrensutsatta marknadsclearing som används på elmarknader och kan, som vi visar, inte inkorporerad i priset. Eftersom producenter kontrollerar produktionskällor, föreslår vi en Pigouvian skatt på dem som ett incitament att inkorporera deras föroreningsskador i deras kostnad. Det andra problemet vi överväger är producenternas strategiska beteende där producenter kan deklarera högre kostnader för att öka priserna och därmed deras vinster. Men vi visar att även om producenterna tvingas deklarera kostnader sanningsenligt, kan de minska sin produktionskapacite för att uppnå samma effekt. För att övervinna strategiskt beteende av båda dessa slag, föreslår vi att subventionera producenter med deras marginella bidrag konsumentöverskottet som ett incitament. Vår skatte- och subventionsmekanism härleds genom att anpassa producenters vinstmaximering med den sociala välfärdsmaximeringen, vilket resulterar i en optimal generationsutskick.

De problem som lösts i denna avhandling bidrar till att förbättra effektiviteten på elmarknaderna genom att minimera produktionskostnader och externaliteter som miljöföroreningar samtidigt som kraftsystemet hålls robust mot avbrott i enskilda komponenter.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-326351