Clearing of the European day-ahead electricity markets with system constraints

Abstract

In this doctoral thesis novel models and algorithmic processes for the solution of the pan-European day-ahead electricity market are presented incorporating explicitly all market products and transmission constraints under a zonal network representation currently modeled in EUPHEMIA solver. The proposed clearing models handle efficiently:a)the non-intuitive bilateral exchanges between bidding zones, b)the Paradoxically Accepted Block and Minimum Income orders, c)the clearing of the PUN orders that are tradable in ItalyThe models are formulated either as Mixed Integer Linear Programming models or as Mixed Complementarity Problems, and they are evaluated using a Europe-wide test case comprising forty-two bidding zones, revealing important insights about the effect of network and market constraints in the attained volumes and prices.Moreover, two models are formulated for the solution of a European day-ahead market with block orders, using a nodal network representation and incorporating N and N-1 security constraints. In the first algorithm the market is solved using the Benders Decomposition method. The problem constitutes a Mixed Integer Linear Programming model having a decomposable structure. The original problem is decomposed in a master problem, which includes the binary variables and a sub-problem, which incorporates the continuous variables of the problem. In the second model, the market clearing problem is coordinated within an iterative algorithm with an AC Load Flow solution, in order to check the apparent power flows of transmission lines against their respective limits. The influence of voltage magnitudes and reactive power on the system lines’ power flows is taken into account and Locational Marginal Prices are calculated. A distributed-slack bus modeling is used.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει καινοτόμα μοντέλα και αλγοριθμικές διαδικασίες για την επίλυση της ημερήσιας πανευρωπαϊκής αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, ενσωματώνοντας άμεσα όλα τα προϊόντα της αγοράς και τους περιορισμούς του συστήματος μεταφοράς υποθέτοντας ζωνική αναπαράσταση του συστήματος που περιλαμβάνονται στον επιλυτή EUPHEMIA. Τα προτεινόμενα μοντέλα διαχειρίζονται αποτελεσματικά:α) τις μη-διαισθητικές διμερείς συναλλαγές ενέργειας που είναι δυνατόν να προκύπτουν μεταξύ διαφορετικών περιοχών προσφορών,β) τις Παραδόξως Αποδεκτές αδιαίρετες προσφορέςγ) τις Παραδόξως Αποδεκτές προσφορές Ελάχιστου Εισοδήματος δ) τις προσφορές Ενιαίας Εθνικής Τιμής (που συναλλάσσονται στην Ιταλική αγορά). Τα μοντέλα διαμορφώνονται ως προβλήματα Μικτού Ακέραιου Γραμμικού Προγραμματισμού ή ως προβλήματα Μεικτής Συμπληρωματικότητας, και αξιολογούνται σε ένα σύστημα δοκιμής που αποτελείται από 42 Ευρωπαϊκά Χρηματιστήρια, επιδεικνύοντας ελάχιστες υπολογιστικές απαιτήσεις και άριστες δυνατότητες επέκτασης. Επίσης, παρουσιάζονται δύο μοντέλα για την επίλυση μίας Ευρωπαϊκής ημερήσιας αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας με αδιαίρετες προσφορές θεωρώντας κομβική αναπαράσταση του συστήματος μεταφοράς με Ν και Ν-1 περιορισμούς ασφαλείας. Συγκεκριμένα, στο πρώτο μοντέλο χρησιμοποιείται η μέθοδος «Benders Decomposition» το οποίο αποσυντίθεται σε ένα Κυρίως Πρόβλημα που περιλαμβάνει τις δυαδικές μεταβλητές, και σε ένα υπό-πρόβλημα που περιλαμβάνει τις συνεχείς μεταβλητές και συντονίζεται με μία επαναληπτική διαδικασία για την απόρριψη των αδιαίρετων προσφορών. Στο δεύτερο μοντέλο το πρόβλημα επίλυσης της αγοράς συντονίζεται κατά τη διάρκεια μίας επαναληπτικής διαδικασίας με μία Ροή Φορτίου Εναλλασσόμενου Ρεύματος, προκειμένου να ελεγχθεί η φαινόμενη ροή ισχύος των γραμμών μεταφοράς έναντι των αντίστοιχων ορίων τους. Στο μοντέλο λαμβάνεται υπόψη η επίδραση των μέτρων της τάσης και της έγχυσης/απορρόφησης άεργου ισχύος στις ροές των γραμμών του συστήματος, και υπολογίζονται Κομβικές Οριακές Τιμές. Στο μοντέλο χρησιμοποιείται η μοντελοποίηση «κατανεμημένου κόμβου αναφοράς».